背叶片流动机理及对离心泵性能影响的研究

摘要

带背叶片加双密封环的叶轮不仅具备平衡离心泵大部分轴向力的能力，又能降低泵腔内轴封压力，同时，合理的背叶片形状还会改善泵的性能。本文以提高离心泵性能为目的，以一台比转数为34的IS80-50-315型离心泵作为研究对象，设计了不同几何参数和形状的背叶片，采用试验研究与数值模拟相结合的方法，分析了不同几何模型下的试验泵的性能、背叶片表面压力特性及泵腔体内流动特性和压力脉动特性。 第一，针对不同背叶片试验难以更换的问题，专门设计了叶轮不变、只更换背叶片的装置，基于浮动叶轮闭式试验台，在全流量工况下对泵性能进行了测试，尝试了背叶片加平衡孔的组合对泵性能影响，发现增加叶轮背叶片数目，泵扬程先升高后降低、输入功率持续增加、效率下降幅度逐渐增加，并且背叶片数目等于 5 时泵水力性能最优；额定工况下背叶片腔内液体压力随叶轮径向半径增大近似成线性规律变化；背叶片对泵水力性能影响大于平衡孔，两者皆存在时，背叶片腔内液体压力进一步降低，对于低比转速离心泵而言，平衡轴向力效果不佳。 第二，通过数值与试验的泵外特性、后泵腔内压力分布，验证了数值手段的可信性。根据数值结果得出，额定工况下背叶片数为 5 的背叶片腔中间截面的液体压力分布和整体湍动能变化最为均匀。增加背叶片宽度，泵扬程依次上升，效率逐渐下降，背叶片腔中间截面的压力显著增加；随着背叶片外径增大，泵扬程先上升后下降，效率逐渐下降，且外径约取 0.9 倍叶轮外径时泵性能最优。全流量工况下，背叶片厚度改变对泵扬程和效率的影响不大；同一流量工况下，直叶片的泵扬程最高，但效率相差不大，后弯叶片使得后泵腔内液体压力降低较多。 第三，为探讨背叶片形状对离心泵稳定性的影响，对试验泵进行了非定常计算，发现随流量增加，背叶片工作面前半段上压力几乎不变，后半段所受压力迅速增大，背面承受压力各不相同。背叶片工作面对腔内液体做功主要集中在 0.4至0.95倍背叶片轴向位置处，且同一背面轴向位置，沿径向半径增大方向，背面所受压力呈现出先急速减小后缓慢增大的现象。叶轮和背叶片旋转及叶片数是影响试验泵前后腔内压力脉动的最主要因素，其剧烈程度随径向半径的增大而逐渐加强，且泵腔内最大径向半径处的压力脉动幅值波动最大；前后泵腔内的压力脉动变化趋于一致，蜗壳隔舌附近的压力脉动频率与叶轮旋转频率和其倍频基本一致，背叶片形状对压力脉动的周期性影响不大。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 本课题名称及来源

1.2 本课题研究背景及意义

1.3 国内外研究进展概述

1.4 主要研究内容及方法概述

1.5 本章小结

第2章 背叶片对泵性能和后泵腔压力影响的试验研究

2.1 试验台结构及测试仪表

2.2 背叶片腔压力测试装置

2.3 试验方案

2.4 试验结果及分析

2.5 本章小结

第3章 数值模拟方法

3.1 数值模拟概述

3.2 计算模型与网格划分

3.3 CFD方法及湍流模型

3.4 数值模拟可信性分析

3.5 本章小结

第4章 背叶片腔内流动特性及其对泵性能的影响

4.1 背叶片数目对泵性能及后泵腔液体流动特性影响

4.2 背叶片宽度对泵性能及后泵腔液体流动特性影响

4.3 背叶片外径对泵性能及后泵腔液体流动特性影响

4.4 背叶片厚度对泵性能及后泵腔液体流动特性影响

4.5 背叶片形状对泵性能及后泵腔液体流动特性影响

4.6 本章小结

第5章 背叶片表面压力分布与泵腔压力脉动特性分析

5.1 背叶片表面压力特性分析

5.2 背叶片腔和蜗壳内液体压力脉动特性分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究结果

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间取得的科研成果