凸轮泵转子腔内部瞬态流动特性及其激励机制研究

摘要

随着流体机械的快速发展，特别是泵行业，其中的凸轮转子泵作为一种回转式容积泵，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、工作效益高、密封安全及无污染等优点，从而得到越来越多研究人员的关注。水力机械在运转中同时也伴随着空化的产生，从而给水力机械带来某种程度的损害，空化过程的危害主要包括以下三方面：1、水力机械的性能会因空化的出现而显著降低；2、空泡从固体壁面脱落被输送到高压区破裂，会对靠近空泡破裂处的材料表面产生破坏，同时伴有振动与噪声的问题；3、流动的非定常特性会受到空化的影响。这些因素都会使流动出现不稳定性，这些不稳定性因素会使压力及流量产生大幅波动，从而引起非定常的转子动力学特性，进而导致水力结构的破坏。 同时在凸轮转子泵工作过程中，吸排水腔的容积会随着传动轴的转动发生周期性的变化，凸轮转子泵的工作特性决定了其在工作过程中会产生流量脉动和压力脉动，随着流量及压力脉动的同时也就产生了流动噪声。再者随着凸轮转子泵出口的压力脉动，径向载荷力也呈现出周期性变化，从而对传动轴施加交变载荷，致使传动轴的使用寿命降低，从而使整个系统的各组成元件都会造成严重损坏。所以如何减小凸轮转子泵出口流量及压力脉动成为改善整个系统的稳定性及降低噪声的重要手段。 凸轮转子泵在稳定工况下运行时，其转速、工况等基本趋于稳定或者变化及其缓慢，因此大多数还停留在对转子泵在稳定工况下运行的研究。随着凸轮转子泵应用领域的拓展以及系统复杂程度的提高，对转子泵如在启动、停机和转速变化等瞬态工况下转子泵内部流场的分布、转子受力的变化规律越来越受到重视，因此对转子泵在瞬态工况下的性能研究是很有必要的。 基于此本文分别以内外摆线型转子及圆弧—渐开线—圆弧包络线型转子为研究对象，对其型线的构成、内部空化的演变进行了研究。同时提出了一种带渐变间隙的新型结构的转子泵，从而有效改善了转子的受力情况。另外对不同启动方式下凸轮转子泵内部流动情况也进行了初步的探究，对转子泵在变转速启动过程中其内部的流场分布及转子受力分布有初步认识。 本论文的研究内容及成果主要有以下几点： 1.基于已有的试验台对某摆线型凸轮转子泵进行外特性试验，得到转子泵主要的性能曲线，其中包括：工作性能曲线、多转速下流量—压差曲线、多转速下泵效率—压差曲线及汽蚀实验曲线。 2.当转子泵内部发生空化时，数值计算方法可以预测转子泵的流量衰减特性，同时能够得到随着进口压力的降低泵内空化流场的发生、空化的发展过程。通过计算可以得到转子泵临界汽蚀余量为3.59m，临界汽蚀点流量为20.85m3/h，流量下降约17％。 3.凸轮转子泵叶轮的空化现象最初发生在叶轮啮合处及叶轮与泵腔的间隙处，随着汽蚀余量的降低，空化区域随着转子外缘向外扩张，进而空泡区向过渡区扩散，形成附着空泡。发展空化时，空泡区约占整个吸入腔的1/5。严重空化时，空泡区占据整个吸入腔，致使泵流量急剧下降。两种不同的线性启动方式相比，当启动时间为0.1s时，有效削弱了入口段低压区的扩散，使气泡体积分数明显减小。此外，气泡体积分数的增长速度明显减慢。 4.渐变间隙凸轮泵高压侧液体在叶轮封闭基元打开之前已开始回流均压，使得过渡基元内压力提前达到排出压力，从而避免了等间隙转子腔过渡基元容积开启瞬间高压端液体迅速回流而产生的的旋涡扰动、压力及流量的脉动现象。渐变间隙rmax=0.1mm时，凸轮泵高压侧对转子y方向的径向力，较等间隙凸轮泵转子所受y方向的径向力减小了12％；转子x方向的径向力，较等间隙凸轮泵转子所受x方向的径向力减小了19％。因此渐变间隙结构凸轮转子泵有效的避免了应力的突变对传动轴系的影响。 5.当渐变间隙rmax=0.1mm时，凸轮泵出口流量脉动和压力脉动的平均幅值达最小值，转子腔内部涡激噪声达最小值。 6.当凸轮转子泵以正常方式启动时，转子会受到Fy高达430kN的瞬时径向力，同时最大径向力Fx可达70kN，方向为x轴的负方向。而此力在线性启动过程中会显著降低。且随着启动时间的延长，进口和出口的静压脉动明显减弱。

目录

声明

主要符号说明

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 凸轮转子泵的原理与用途

1.1.1 凸轮转子泵的工作原理

1.1.2 凸轮转子泵的工作特点

1.1.3 凸轮转子泵的主要应用

1.2 课题研究的背景及意义

1.3国内外研究状况

1.3.1 凸轮转子泵叶轮型线设计方面

1.3.2 凸轮转子泵数值计算优化方面

1.4 课题研究目标、内容及方法

1.4.1 课题研究目标

1.4.2 课题研究内容

1.4.3 课题研究方法

第2章 凸轮转子泵的型线设计及分析

2.1 凸轮转子泵叶轮型线方程

2.1.1 凸轮转子泵叶轮的理论型线方程

2.1.2 凸轮转子泵叶轮的实际型线方程

2.2 凸轮转子泵流量公式

2.3 凸轮转子泵转子型线参数化设计

2.4 本章小结

第3章 凸轮转子泵内部流动数值解析理论及方法

3.1 数值解析方法

3.1.1 控制方程

3.1.2 湍流模型及算法

3.1.3 空化物理模型

3.2 计算域模型建立及网格划分

3.2.1 计算域模型建立

3.2.2 计算流域网格划分与无关性验证

3.3 动网格技术的实现

3.3.1 动网格模型

3.3.2 动网格的重构算法

3.4 自定义函数(UDF)

3.4.1 正常启动的UDF编程

3.4.2 线性启动的UDF编程

3.5 本章小结

第4章 凸轮转子泵内部两相流动数值计算与分析

4.1 空化的发生过程

4.2 不同线性启动方式的定义

4.3 控制方程及湍流模型

4.4 数值计算与试验结果分析

4.4.1 NPSH计算公式

4.4.2 数值计算与试验数值的对比

4.4.3 不同工况在同一时刻的速度矢量变化

4.4.4 正常启动下的空化发展与演化

4.4.5 不同启动过程中凸轮转子泵内部空化演化

4.5本章小结

第5章 渐变间隙对凸轮泵转子径向激励力的抑制机理

5.1 计算模型建立

5.2 控制方程及噪声模型

5.3 结果与分析

5.3.1 渐变间隙结构对泵出口流量特性的影响

5.3.2 渐变间隙对转子腔内部静压分布的影响

5.4 转子腔渐变间隙对转子Fr的影响

5.4.1 转子腔渐变间隙对Ky的影响

5.4.2 高压端对转子x方向径向激励力的影响

5.5 渐变间隙对转子腔内部流体噪声的影响

5.6 本章小结

第6章 凸轮转子泵启动过程中的瞬态特性研究

6.1 计算模型建立

6.2 额定参数与网格划分

6.2.1 边界条件及额定参数

6.2.2 网格无关性验证

6.3 不同启动方式的定义

6.4 不同启动方式下出口流量的变化

6.5 不同启动方式对转子径向激励力的影响

6.6 正常启动及线性t=0.1s时凸轮转子泵内部静压分布

6.7 不同启动方式下凸轮转子泵进出口压力的变化情况

6.8 线性启动方式t=0.1s 过程中凸轮转子泵内部流线分布

6.9 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间公开发表的论文