离心泵诱导轮入口回流空化的数值研究

摘要

在高速离心泵叶轮前加装诱导轮能较好的抑制离心叶轮的空化,而诱导轮的空化性能主要由其入口条件所决定。本文采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对所设计的诱导轮全流道空化流进行了数值计算,较为系统地开展了不同叶尖间隙和不同外壳形状对诱导轮空化性能影响的研究。完成的主要工作有：首先,数值分析了三种不同叶尖间隙下诱导轮内的流动特性。结果表明,随进口压力的减小,空化区域逐步增大。当空化系数降到0.04附近时,诱导轮的扬程系数开始迅速下降；靠近叶片进口修圆的外缘处相对速度较大,且压力最低,此位置易发生空化；小流量条件下的叶片蒸汽相体积明显大于大流量条件下的情况；不同工况下,回流涡长度沿轴向扩展较长,随流量的增大,回流涡长度减少,径向扩展较大。分析了设计流量下诱导轮进口和出口段区域的非定常压力脉动特性。结果表明,大叶尖间隙压力脉动值比小叶间隙压力脉动值大。对于0.8mm和1.0mm叶尖间隙,均出现了11.64Hz的频率,其值约为叶片转频的0.075倍。1.2mm叶尖间隙的压力脉动均为110.76Hz以上的频率。在上述研究的基础上,进一步开展了诱导轮进口外壳的不同开槽方案(A、B、C方案)对其空化性能影响的研究。结果表明,诱导轮壳体开槽方案能有效降低叶片前缘负荷,但是效率和扬程都略有下降；方案B、C的诱导轮吸力面上的静压值有明显的降低,特别在进口的外缘处,最小压力区的面积有明显的减小；改形后的外壳,回流涡明显增大。外壳上开槽明显减小了叶片上蒸汽相份额,但是叶片表面出现了不同程度气泡分布。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外诱导轮研究的发展现状

1.2.1 诱导轮空化理论的研究现状

1.2.2 诱导轮空化实验的研究现状

1.2.3 诱导轮空化系数值模拟研究现状

1.3 抑制诱导轮空化的方法

1.4 本文研究内容

2 诱导轮的设计及空化理论

2.1 引言

2.2 诱导轮的空化性能确定

2.3 诱导轮扬程确定

2.4 关键几何参数设计

2.4.1 叶片数Z_i

2.4.2 进口流量系数φ_(ind)和叶尖直径D_t

2.4.3 进口冲角α_(ind)和叶片安装角β_(ind)

2.4.4 叶栅绸度τ和叶片节距t

2.4.5 前缘包角θ_1和叶尖包角θ_2

2.4.6 叶尖间隙△t与叶片厚度δ

2.5 空化流动理论

2.5.1 基本方程组

2.5.2 空泡动力学方程

2.5.3 四种类型的空化模型

2.5.4 RNG k-ε湍流模型

2.5.5 k-w SST模型

2.6 水力机械产生空化的类型

2.7 诱导轮空化的形式及现象

2.8 本章小结

3 诱导轮内部空化流动定常计算

3.1 引言

3.2 计算模型及网格生成

3.3 计算方法及求解策略

3.4 边界条件

3.4.1 进出口边界

3.4.2 近壁面区域的处理

3.5 定常计算结果及分析

3.5.1 诱导轮入口复杂三维流动情况

3.5.2 诱导轮不同表面压力分布

3.5.3 诱导轮空化状态随进口压力变化情况

3.5.4 诱导轮吸力面和压力面流线分布

3.5.5 诱导轮表面相对速度矢量图

3.5.6 不同流量和叶尖间隙△y条件下叶片上的蒸汽相体积份额

3.5.7 叶尖泄漏回流涡

3.5.8 不同工况下,叶片进口前缘子午面速度分布

3.5.9 不同工况下,叶片出口前缘子午面速度分布

3.5.10 不同工况下,叶片出口速度矩分布

3.5.11 改变进口压力,空化性能曲线分布

3.6 本章小结

4 诱导轮内部流动非定常数值计算

4.1 引言

4.2 计算方法和边界条件

4.3 诱导轮入口压力脉动分析

4.4 诱导轮出口压力脉动分析

4.5 本章小结

5 诱导轮进口外壳改形后的全流道数值计算

5.1 引言

5.2 诱导轮外壳形状的改变

5.3 诱导轮外壳形状的改变对单叶片压力的影响

5.4 诱导轮外壳形状的改变对单叶片速度环量的影响

5.5 诱导轮外壳形状改变后叶片蒸汽相份额的改变情况

5.6 诱导轮回流涡大小的比较

5.7 诱导轮空化曲线图的比较

5.8 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录:在校期间发表的论文