带分流叶片高速离心泵的压力脉动与试验研究
本文在国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理”(编号:50979034)和国家自然科学基金“带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究”(编号:51009072)的资助下开展工作。高速离心泵具有单级扬程高、结构紧凑、维护方便、造价低、可靠性好等优点,被广泛应用于炼油、石油化工、化学工业和航天技术等领域。但随着转速的提高,对高速离心泵的运行稳定性和空化特性要求越来越高。最大限度的减少高速泵泵体内流体诱发的压力脉动,从而减轻机械振动已成为当今高速泵领域主要研究热点之一。在设计阶段预估高速离心泵全流道内流体诱发的压力脉动,这对有效降低其运行风险具有十分重要的意义,本文的主要研究内容和研究成果如下:
1.总结了带分流叶片离心泵的国内外研究进展,并着重介绍了分流叶片的设计方法,并设计了三种型式的分流叶片。对流体数值计算基本理论及在泵中的应用进行了简单介绍。
2.采用CFX软件对高速泵进行了定常数值模拟,对比分析了三种不同流量工况下高速泵内部速度和压力场分布,并从高速泵内部流场及外特性的变化规律两方面来研究分流叶片对高速离心泵性能的影响。在高速泵安装分流叶片后,同一半径的速度分布更趋均匀,减小了叶轮内的水力损失以及从叶轮出口到泵体进口之间的混合损失。分流叶片使高速泵的扬程略有提高,且随着流量的增加,扬程提高逐渐增大。同时能更好的控制流体的运动,对于改善“射流-尾流”结构有良好的作用。
3.阐述压力脉动的基本理论及分析方法,同时在定常计算的基础上对高速离心泵进行了非定常数值模拟计算,分析了分流叶片对高速泵压力脉动特性的影响.主要结论有:
(1)在高速泵蜗壳出口处,压力脉动出现了与分流叶片中短叶片对应的小峰值,这在一定程度上对高速泵压力脉动的急剧波动起到了缓解作用。在频谱图中,高速泵在其叶频处存在较大的峰值,说明叶频是其出口压力脉动的主要成分,即出口压力脉动是由于叶轮与蜗壳动静干扰引起的。
(2)从高速泵蜗壳流道四个监测位置在设计工况下的压力脉动可以看出:B监测点离蜗壳隔舌位置最近,受动静干涉作用影响最强,压力脉动幅值最大,C监测点的压力脉动幅值明显高于D和E监测点。虽然动静干扰产生的压力脉动会在整个流道内传播,但6+6分流叶片与全叶片相比,其在C,D和E三个监测点的脉动幅值有明显的降低,这说明分流叶片对高速泵蜗壳内壁压力脉动有良好改善作用。
(3)针对叶轮分流叶片数对高速泵压力脉动的影响,得出当叶轮结构为4+4分流叶片时,高速泵隔舌处监测点的压力脉动幅值取得四种叶轮结构中的最小值,这说明当叶轮结构为4+4分流叶片时,高速泵动静干涉作用减小。
4.搭建了高速离心泵进出口压力脉动测试装置,讨论了其压力脉动试验装置和试验需解决的关键问题,通过采用叶轮结构为全叶片,4+4分流叶片分析了不同叶轮型式对高速泵压力脉动特性的影响,主要结论有:
(1)通过高速泵的扬程一流量试验值与模拟计算值的对比。从图中可以看出,数值计算的结果和试验结果趋势一致,高速泵在设计流量点附近的误差相对较小,越偏离设计工况点,则相对误差也相应增大。
(2)在高速泵进出口监测点处,与不带分流叶片的高速泵相比,各个工况下带分流叶片的高速泵脉动幅值有一定的减小,尤其在低频区表现的尤为明显。这表明分流叶片结构对改善其流场和压力脉动特性,起到了积极的作用。
(3)当高速泵叶轮结构采用4+4分流叶片时,高速泵出口监测点处的压力脉动峰值在各个工况均所下降,说明采用分流叶片改善其流场分布和出口监测点的压力脉动特性,即动静干涉作用减弱。
高速离心泵;分流叶片;数值模拟;流场分析;压力脉动
江苏大学
硕士
化工过程机械
袁建平;张金凤
2012
中文
TH311
72
2012-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）