离心泵空化诱导非定常动力特性及其机理研究

摘要

本文的研究工作在国家自然科学基金重点项目“水力机械的空化特性及对策”（51239005）、国家科技支撑计划项目“百万千瓦级核电离心泵关键技术研究”（2011BAF14B04）和国家自然科学基金项目“激光诱导空泡空化强化机理与激励特性研究”（51479082）的资助下展开。 随着工业发展及科学技术水平的提高，离心泵高效率、高转速、高可靠性和低噪声运行等性能指标是满足国民经济建设及能源环境要求的重要趋势，然而离心泵的高速化又带来了可靠性及系统运行稳定性等一系列问题，其中空化是影响离心泵等水力机械安全高效和高速运行的关键因素。空化是水力机械领域一种复杂的现象，对水力机械的运行稳定性及寿命造成严重影响，一直是制约水力机械行业发展的难点，被称为泵等水力机械的 “癌症”。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究的方法，通过流态识别技术提取并分析离心泵不稳定流动所诱导的非定常动力特性，对离心泵内部流动不稳定及空化不稳定流动状态进行有效监测，掌握离心泵空化发生发展过程，获取离心泵不稳定流动状态的特征信号，建立离心泵空化不稳定性与泵性能曲线不稳定性之间的关系。本文主要的研究内容和创造性成果如下： （1）在全流道模型的基础上对离心泵进行空化数值模拟，通过试验验证了数值模拟方案的可行性，并对不同空化程度工况，离心泵内的空泡分布及内流特性进行了分析。结果表明额定流量下离心泵空化发展过程中，受动静干涉及蜗壳不对称结构的影响，空泡在各流道内呈现出不对称分布，靠近蜗壳隔舌的叶片流道内空泡长度大于远离蜗壳隔舌叶轮流道内的空泡长度。该不对称分布的空泡会造成叶轮旋转过程中所受径向力的不均匀，并由此增加轴的振动，导致系统运行的不稳定。较厚的云状空穴尾部反向凹角射流作用导致空泡团的脱落，该脱落空穴受主流粘性切应力的作用而发生旋转，导致不稳定流动增强，致使该区域湍流强度增大。 （2）搭建了离心泵非定常空化试验系统，提出了离心泵非定常空化试验及流动诱导非定常动力特性试验方案及数据采集方法。完成了离心泵水力性能和空化特性参数的采集，实现了空化和不稳定流动诱导的泵进出口压力脉动、振动噪声及定子电流等非定常动力信号的提取。 （3）建立了离心泵内部不稳定流动状态与外部特征信息之间的关系：从流动诱导非定常动力信号出发，结合数值模拟所得不同流量工况下离心泵内流特性，建立了离心泵内不稳定流动状态与外部非定常动力特性之间的关系。离心泵内部回流、旋转失速、驼峰及空化等不稳定流动状态均会诱导产生相应的非定常动力特性，泵进出口压力脉动、噪声、振动及定子电流等非定常动力信号均可表征泵内不稳定流动状态，并以此来确定泵安全稳定运行的范围。 （4）为探讨额定转速不同流量条件下离心泵空化特性，分析了不同流量条件下随着空化的发展，泵扬程变化规律及原因。研究发现小流量工况，无论是回流还是空化等不稳定流动，对泵流量的排挤作用并不明显，对泵性能的影响均较小。空化断裂工况前，小流量下的压力增益系数小于大流量工况下的压力增益系数；而空化断裂工况发生后，情况则相反。泵的临界空化余量值随着流量的增加逐渐增大，当流量大于额定流量后，临界空化余量的变化几乎与流量的增大成正比关系。 （5）离心泵空化诱导的非定常动力特性与泵空化的发生发展存在明显的对应关系，都可作为泵空化检测的特征信号，均可检测出离心泵额定流量下空化初生及不稳定空化发生点。然而振动信号并不太适合于具有较大冲角的偏额定流量工况下泵空化初生的检测。空化诱导振动信号比动静干涉诱导振动信号更为强烈。可采用单个加速度传感器检测泵内流动及空化诱导的振动信号，测点位置应尽可能靠近空泡溃灭区域及机组的旋转部件。泵出口压力脉动及声压信号的频谱特性可作为离心泵超空化工况的检测。 （6）首次提出以空化诱导非定常动力特性的方法检测离心泵不同流量下不稳定空化初生点，并建立了离心泵空化初生及不稳定空化发生点随流量变化的关系，为离心泵空化及不稳定流动的检测提供了新的思路。探讨了不同流量工况下离心泵空化关键特征点泵扬程的下降量，并对其原因进行了分析。 （7）揭示了离心泵空化不稳定性与性能曲线不稳定性之间的关系：从空化发展的整个过程来看，泵性能曲线的连续变化情况，可准确反映出泵内空化的初生及不稳定空化的发生发展；泵性能曲线不稳定性的强度及波动频率亦反映出空化不稳定性的强度及频率，这为离心泵内不稳定空化对泵扬程影响机理的研究提供了重要参考。

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