轴流泵变环量变轴面速度设计及内部流动分析

摘要

轴流泵是叶片泵的一种，其比转速较高，尤其适用于输送介质流量大的场合，因此在泵站、防洪等重要工程中被广泛地应用。小型轴流泵的体积较小，加工制造和安装调试都比较方便；但是对于大型轴流泵，特别是大型全调节式轴流泵，直接进行设计计算很难保证设计质量，模型设计是大型轴流泵设计的关键环节。 本文在升力法的基础上采用变环量、变轴面速度的设计方法，结合 NACA16翼型，对比转速为930，口径为1800 mm的全调节轴流泵开展模型设计，并将计算流体动力学(CFD)方法穿插应用于过流部件的水力设计过程中，通过分析轴流泵内部的流动指导水力设计。通过模型泵性能试验，对模型泵的设计结果进行验证；在对实型泵主要零部件进行强度校核后，对实型泵进行了加工制造和应用。本文的主要研究工作如下： (1) 分析了变环量变轴面速度法的理论依据，论证了全调节轴流泵模型泵的设计方案，开展了过流部件的水力设计，运用CFD方法对模型泵内部流动进行了模拟，对模拟结果进行了分析，确定了模型泵设计方案； (2) 开展了模型泵能量性能试验研究，搭建用于模型泵研究的开式试验台，在-4°、-2°、0°、+2°、+4°五种叶片角度情况下对模型泵性能进行了测试，全面评估了模型泵在全流量范围内的性能； (3) 基于设计的模型泵，通过参数换算计算了口径为 1800 mm 的全调节轴流泵实型泵的几何参数；通过受力分析对实型泵的主要零部件进行了强度校核，保证了实型泵的结构性能；对实型泵进行了加工制造。 通过本研究，实践了轴流泵的变环量变轴面速度设计方法，将模型泵设计、流动模拟、模型泵性能测试、模型换算和实型泵强度校核组成了一套系统的方法，通过数值模拟获得了泵内的流动特征；通过模型试验检查了不同叶片角度下的泵能量特性；通过强度校核明确了影响大型轴流泵运行稳定性的主要因素；这一系统性的方法被应用于口径为1800 mm的全调节轴流泵中，取得了良好的效果。该实型泵目前仍在运行，运行性能完全满足既定的各项要求。

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