压水室型式对离心泵径向力影响研究

摘要

离心泵在高科技领域的应用不断加深，在农业生产、城市供水等方面也得到广泛使用，人们对其运行安全性以及振动噪声问题越来越重视。径向力不平衡就是影响离心泵运行安全、造成离心泵振动噪声的重要原因之一。因此，对离心泵径向力问题进行研究具有极其重要的意义。
　　 压水室结构是影响离心泵径向力的最主要的因素，本文针对离心泵分别采用不同的压水室结构时的径向力进行研究。研究工作和主要结论如下：
　　 1)运用Pro/E软件创建了离心叶轮配置单蜗壳压水室、双蜗壳压水室、径向导叶压水室三种离心泵模型。运用Fluent软件提供的定常算法分别模拟了这三种离心泵模型在不同流量下的湍流流场。通过模拟结果计算得到了三种离心泵模型叶轮所受到的稳态径向力，并分析了稳态径向力随流量变化的规律。结果表明，这三种离心泵模型的稳态径向力在接近设计流量时差异较小。当偏离设计流量时，单蜗壳离心泵稳态径向力显著增加，而双蜗壳与径向导叶离心泵呈现出较好的径向力平衡作用。其中双蜗壳离心泵稳态径向力比单蜗壳离心泵低50％以上，而径向导叶离心泵的稳态径向力在整个流量范围都保持较低水平，在远离设计流量条件下比双蜗壳离心泵低40％。
　　 2)运用Fluent软件对三种压水室离心泵流量分别为0.6Qd、Qd、1.4Qd时的流场进行非定常数值模拟。通过设置压力监测点，得到了蜗壳不同断面位置近壁面处压力随时间脉动情况。结果表明叶轮叶片与压水室之间的动静干涉作用是影响蜗壳内部压力脉动的最主要的影响因素，离心泵蜗壳内部各个区域的压力均随叶轮的转动发生周期性的脉动，脉动的主要频率为叶轮叶片通过频率。蜗壳内部隔舌处以及双蜗壳隔板起始端处压力监测点的压力脉动强度最大。双蜗壳压水室的两个出水流道螺旋部分相应位置的压力脉动情况一致；采用径向导叶压水室的离心泵蜗壳内部各断面处压力脉动几乎不受流量的影响。
　　 3)运用非定常计算方法，计算得到三种离心泵模型在不同流量下瞬态径向力变化规律。分析了不同流量下瞬态径向力随时间变化的矢量轨迹以及合力大小随时间的变化规律。结果表明，瞬态径向力的产生是离心泵内部非定常流动的结果，其中最主要的影响因素是流量以及叶轮与压水室之间的动静干涉，因而其变化周期为叶片通过周期。设计流量条件下，瞬态径向力变化幅度最小；偏离设计流量情况下，瞬态径向力变化幅度较大。而随着叶轮出口处压水室均匀分布的流道数的增加，瞬态径向力受流量因素的影响逐渐减小。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 离心泵径向力的形成原因

1.3 离心泵径向力研究现状

1.3.1 试验研究

1.3.2 数值模拟研究

1.4 本课题研究的主要内容

第二章 离心泵数值模拟方法

2.1 三维湍流数值模拟方法

2.2 计算模型

2.3 控制方程组的离散

2.3.1 有限体积法

2.3.2 有限体积法常用的离散格式

2.4 SIMPLE算法

第三章 离心泵稳态径向力研究

3.1 引言

3.2 不同压水室离心泵定常数值模拟

3.2.1 离心泵基本参数与计算模型

3.2.2 离心泵计算区域的创建及网格划分

3.2.3 三维定常湍流计算方法

3.2.4 边界条件设置

3.3 流场计算结果及分析

3.3.1 叶轮进口速度矢量分布

3.3.2 压力分布云图

3.3.3 速度分布云图

3.3.4 叶轮出口附近压力分布

3.4 离心泵径向力分析

3.4.1 径向力计算方法

3.4.2 三种模型径向力对比

3.5 离心泵水力性能数值预测

3.6 本章小结

第四章 离心泵瞬态径向力研究

4.1 引言

4.2 离心泵非定常数值模拟

4.3 压力脉动分析

4.3.1 设计流量下压力脉动分析

4.3.2 非设计流量下压力脉动分析

4.4 不同压水室离心泵瞬态径向力计算结果及分析

4.4.1 瞬态径向力随叶轮转动变化曲线

4.4.2 叶轮旋转周期内瞬态径向力变化曲线

4.4.3 叶轮旋转一周瞬态径向力合力变化情况

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究结果总结

5.2 研究展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的论文