半开式离心泵叶顶间隙泄漏流对失速特性的影响研究

摘要

随着工业技术的迅速发展，中低比转速离心泵的世纪运行工况逐渐扩大，小流量工况运行时离心叶轮内产生的流动分离极易演变为失速团，限制了离心泵的运行范围。尤其在半开叶轮离心泵内，叶顶泄漏流的非定常特性会加剧叶轮内失速的发展，使得小流量时泵的运行稳定性更差。因此，研究半开式离心泵内泄漏流与流动分离作用下的失速产生机理对于失速控制以及拓宽泵稳定运行范围具有重要意义。 本文的主要目的是研究叶顶间隙泄漏流与离心叶轮内失速初生的关联性机理，基于此对不同端壁处理方法下叶轮内部的流动特性进行分析。以中低比转速半开式离心泵为研究对象，通过数值仿真对于叶顶泄漏流的非定常性及其对失速初生的影响进行分析；同时对叶片前缘的端壁进行了周向槽、轴向直槽、轴向斜槽处理，深入分析了三种端壁处理方法对失速的改善机理以及对叶轮内部流动的影响。 本文首先对叶顶泄漏的定常以及非定常特性进行了分析。定常特性表明，泄漏特性主要取决于叶片前缘75％以下间隙高度释放的流线，随着流量减小，泄漏涡破裂位置上移。非定常结果表明，叶尖载荷的非定常脉动是叶尖泄漏涡不稳定的重要原因；叶片前缘溢流产生的叶尖分离涡是叶顶泄漏流非定常特性的主要组成部分。 其次，分别对三种叶顶间隙下失速初生与叶顶泄漏涡的相关性进行了分析。在TC1时，叶片前缘角分离所造成的堵塞效应强于叶顶泄漏涡，角分离迅速在近轮毅处形成失速团并发展为全叶高失速。TC1.5时，近叶顶处的叶尖分离涡主要由前缘溢流形成，前缘溢流与泄漏涡破碎使得流道前缘的堵塞加剧，前缘溢流与尾缘回流同时出现时失速发生。TC2.5时，前缘溢流使得叶尖处的堵塞增强，演化为部分叶高失速。因此，随着间隙的增大，泄漏流在失速的形成过程中逐渐起主导作用。 最后，分别对三种端壁处理方法在叶轮失速点的流动特性进行了分析。计算结果表明，端壁周向槽处理时叶顶处的回流涡进入槽内形成了旋转涡团，叶片前缘处泄漏涡所引发的前缘堵塞有所改善。端壁轴向直槽处理时叶顶附近的分离涡移动至轴向直槽内，直槽内的两个涡团成反向旋转，轴向直槽处理能够有效改善叶尖处叶顶附近的回流涡，但是其他流道内仍然存在堵塞。端壁斜槽处理使得叶片前缘处的回流涡分解并移动至轴向斜槽内部，形成了三个尺度大小不同的涡团，能够有效的改善叶片近叶顶区域的回流与堵塞，但无法完全消除。因此，三种端壁处理方法中，周向槽处理对半开式离心泵失速点时叶顶处的堵塞效应改善最明显。 本文阐明了叶顶泄漏流的非定常性及其在叶轮内失速初生的作用机理，并对三种端壁处理方法在失速工况的流动规律进行了比较分析。这些失速的相关机理及其控制方法的研究对于提高半开叶轮离心泵的运行稳定性具有重要的参考价值，并对后续端壁处理方法的优化提供了进一步的研究基础。

目录

声明

1 绪论

1.2叶顶间隙泄漏流的研究现状

1.2.2叶顶泄漏流定常特性研究

1.2.3叶顶泄漏流非定常特性研究

1.3叶顶泄漏流与失速的关联性研究

1.4端壁扩稳技术的研究进展

1.5本文主要研究内容

2非定常流动数值计算方法

2.3计算网格生成

3计算模型及数值方法

3.2网格划分与边界条件设置

3.3外特性分析

3.4叶顶间隙泄漏流的定常特性分析

3.4.1叶顶泄漏流的流动结构

3.4.2不同流量下泄漏流的流动特性

3.5本章小结

4叶顶泄漏流不稳定流动特性研究

4.1叶项泄漏流的非定常特性及机理

4.2流量对泄漏流非定常特性的影响

4.3叶顶间隙大小对泄漏流非定常特性的影响

4.4本章小结

5泄漏流与失速初生的关联性机理研究

5.1旋转失稳特性分析

5.2TC1间隙下半开式离心叶轮的失速机理

5.3TC1.5间隙下半开式离心叶轮的失速机理

5.4TC2.5间隙下半开式离心叶轮的失速机理

5.5本章小结

6不同端壁处理方法对失速的控制机理研究

6.1周向槽处理对失速的影响机理

6.2轴向直槽处理对失速的影响机理

6.3轴向斜槽处理对失速的影响机理

6.4不同端壁处理时叶轮外特性分析

6.5本章小结

7总结与展望

7.2展望

致谢

参考文献

附录