双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析

摘要

本文在国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理”(编号:50979034)和国家自然科学基金“带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究”(编号:51009072)的资助下开展工作。
　　 螺旋离心泵是一种特殊的无堵塞泵,具有良好的吸入性、无堵塞性及抗汽蚀性等优点,其核心部件为半开式螺旋型叶轮。这种泵叶片数少,叶片薄而且表面积大。螺旋离心泵运行过程中,在流场内复杂的水力激励作用下,叶轮会发生变形及振动,变形后的叶轮又会引起流场分布的变化。为研究流体与结构相互作用下的复杂特性,本文建立了螺旋离心泵双向流固耦合计算模型,使用ANSYSCFX及ANSYSWorkbench进行了两场交替联合求解,分析了考虑流固耦合作用下流场和结构场的瞬态变化规律。主要研究工作和创新点有:
　　 1.总结了螺旋离心泵在水力设计、实验和数值研究等方面的国内外研究现状;阐述了流固耦合方法在螺旋离心泵研究中的应用前景;提出了将螺旋离心泵用于高速泵领域的思路;讨论了本研究所涉及的流固耦合力学的问题,以及流固耦合问题的求解方法。
　　 2.采用Pro/E4.0软件建立了螺旋离心泵三维模型,对内部流道实体模型进行网格划分。应用CFD软件ANSYSCFX,采用RNGk-ε湍流模型,以清水为介质,在五个工况下进行螺旋离心泵内部流动的数值模拟。通过与已有试验数据的对比,验证了计算模型的可靠性,并对泵内三维流场特性和流动现象进行了分析。
　　 3.为分析模型泵内部流动水力激励特性,在定常计算的基础上,采用N-S方程和标准SSTk-ε湍流模型对其内部流场进行了多工况全流场的非定常数值计算。在叶轮与蜗壳耦合面上以及泵进出口处设置了7个监测点,计算得出了各监测点的压力脉动时域及频谱特性。结果表明,轴频和叶频是流道内压力脉动的主频;叶轮与蜗壳耦合处以及隔舌处的压力脉动主频为轴频,进出口压力波动主频接近叶频;进口脉动幅值相对出口及泵内脉动幅值很小,高频成分也相对较少;同一监测点在不同流量下主频相同,但主频振幅各不相同,设计流量下的主频振幅最小,小流量下的主频振幅最大;叶轮与蜗壳耦合面上的监测点,在距离隔舌越远处,其压力脉动强度越低。
　　 4.为研究螺旋离心泵叶轮与转轴工作时的振动特性,建立了模型泵转子部分的三维有限元模型。结合泵腔内流场压力分布信息,对转子进行了有预应力的静力学分析和模态分析,获得了转子对载荷的响应信息、固有频率和对应的振型。结果表明,其强度满足设计要求,应力最大点位于叶片根部及轴肩处;转子为刚性,但转子的前两阶固有频率与泵内部压力脉动主频比较接近,这说明转子的设计不尽合理,运转时产生共振的可能性较大。因此需要对螺旋离心泵转子结构进行优化设计,可通过更改轴承位置、重新设计轴向和径向尺寸以及更换轴的材料来实现。从而改变转子的固有频率,使固有频率能够避开泵内流动的激励频率,避免发生共振。
　　 5.对螺旋离心泵的内部流场和叶轮转子振动结构进行了伺步交替求解的流固耦合计算。通过将流固耦合前后的流场结果对比分析发现:考虑流固耦合作用后,泵进口处的压力脉动加剧,出口压力脉动强度降低,进出口脉动频率不变,但相位有改变;速度分布趋势相同,但在小流量工况下差别较明显,同时在叶片与隔舌处于相干位置时,隔舌附近流动也受到明显影响;径向力大小随时间变化规律一致,但波动范围减小;考虑流固耦合作用后叶轮流道内流动更加不对称。通过对所得的叶轮转子变形、振动速度及加速度特性进行对比分析可知:转子在运行过程中存在弯曲、扭转及拉伸变形,其中扭转变形量较明显;叶轮质心径向位移变化与泵内压力脉动有相同的主频率;在非设计工况下,转子结构变形量相对较大,振动幅度也较大,设计工况下,变形与波动相对较小;转子在各工况下均未发生共振现象。