考虑间隙流动的离心泵流固耦合动力学研究

摘要

瞬态流体激励是离心泵最主要的结构振动激励源之一，容易诱发设备的流固耦合振动问题，影响设备运行的可靠性。根据流动区域的不同，可以将离心泵内部流动分为主流道流动和间隙流动。间隙流动对离心泵振动特性的影响不仅直接体现在流体激励方面，同时还作用于设备的转子系统，影响水力机械的转子动力学特性和转子稳定性。因此研究间隙流动是准确预测离心泵流固耦合动力学特性的重要环节。本文以一台单级蜗壳式离心泵为研究对象，主要工作和结论如下:
　　(1)对考虑间隙流动和不考虑间隙流动两种计算模型分别进行数值模拟，对比分析两种方案下的外特性、内部流动结构和压力脉动情况，结果表明包含口环间隙模型的计算结果与试验值更贴近，内部流动更复杂，能够更全面的体现离心泵内丰富的流场脉动信息。
　　(2)在有间隙模型的基础上，分析叶轮结构受到的瞬态轴向、径向力，获得诱导离心泵水力激励的载荷分布。其次，针对原型泵轴向力过大的问题，提出了泵腔结构改进方案，有效的降低了叶轮轴向力。随后，在泵腔优化方案的基础上，进一步研究不同的口环间隙对叶轮水力激励的影响，为合理设计水泵的泵腔流域和口环间隙提供可靠的依据。
　　(3)间隙流动对于水力机械的转子动力学具有不可忽视的影响，本文建立基于Navior-Stokes方程的小偏心密封间隙动力学模型，分别采用传统准稳态方法、改进准稳态方法以及基于动网格的瞬态方法，获得密封动力学系数，以Kanemori试验密封装置为基础，与试验值对比探讨三种方法的预测精度，比较得出最优的计算方案，为流固耦合分析中转子支撑边界条件提供基础。
　　(4)建立转子-密封-轴承动力学模型，对流场和转子结构场进行流固耦合联合仿真，分析密封支撑与流固耦合对转子临界转速的影响。结果表明，密封支撑提高临界转速，流固耦合作用降低临界转速。进而，对转子进行瞬态动力学分析，结果表明:在流固耦合作用下，叶轮位移轨迹为封闭的椭圆形，在此基础上又呈现出波动特性，体现了流体动静干涉效应对转子系统振动的影响。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1离心泵间隙流研究现状

1．2．2离心泵流固耦合研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章考虑间隙流动的离心泵流场计算

2．1离心泵流场计算模型

2．2数值计算方法

2．2．1控制方程

2．2．2参数设置及边界条件

2．3间隙流动对离心泵流场的影响

2．3．1外特性对比

2．3．2内部流动结构对比

2．3．3压力脉动特性对比

2．4本章小结

第3章间隙流动对流体激励的影响

3．1原型泵叶轮受力分析

3．1．1径向力分析

3．1．2轴向力分析

3．2泵腔间隙流动对流致激励的影响

3．3口环间隙流动对流致激励的影响

3．3．1不同后口环间隙对性能的影响

3．3．2不同后口环间隙对流场的影响

3．3．3不同后口环间隙对轴向力的影响

3．3．4不同后口环间隙对径向力的影响

3．4本章小结

第4章间隙密封动力学特性分析

4．1数值模拟和实现思路

4．2稳态方法与瞬态方法计算精度对比

4．3模型泵口环密封的动力学参数计算

4．4本章小结

第5章泵转子流固耦合动力学研究

5．1流固耦合求解的理论依据

5．2离心泵整机模态分析

5．2．1试验装置及测试系统

5．2．2整机模态有限元计算

5．3基于流固耦合的转子临界转速分析

5．4基于流固耦合的转子振动特性分析

5．4．1应力分析

5．4．2振动分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢