基于叶轮相位交错多级离心泵流场非定常特性研究

摘要

多级离心泵是将多台单级离心泵串联起来，整合成为一个整体，即节约了泵占用的空间，也改善了泵运行维护的成本，广泛应用于水利、化工、石油、反渗透海水淡化以及核电等领域。但串联成为整体后不仅增加了整个系统的复杂性，使得多级离心泵的设计难度增加。
　　多级离心泵的内部流场比单级离心泵复杂得多，容易产生较大的压力脉动，主要是由于叶片与隔舌或导叶产生动静干涉致使压力脉动的产生。内部干涉激励的存在往往会对泵体各部分的疲劳强度产生不利的影响，因此了解多级离心泵内部流场的流动特性对该类型泵的设计具有积极的指导意义。
　　本文建立了四组模型方案，以便对多级离心泵的内部流场和转子受力进行数值模拟研究。方案A为顺序布置的六级离心泵，叶轮相位不交错；方案B为顺序布置的六级离心泵，叶轮相位交错一个流道相位的1/2；方案C为顺序布置的六级离心泵，叶轮相位交错一个叶轮流道的1/(Z-1)(Z为叶轮叶片数)；方案D为叶轮顺序布置的六级离心泵，叶轮相位交错一个正导叶流道的1/(Z-1)(Z叶轮为叶片数)。通过数值模拟及分析，得到如下的结论：
　　1.通过非定常计算结果得到不同方案的外特性，四个方案的外特性相差不大；但不同方案的外特性的特征量非定常特性出现比较大的变化，在不同流量下的扬程、效率、轴功率变化规律和变化趋势各异。在0.6Qd、1.0Qd工况下方案B的内部激励叠加效果优于方案A；在1.4Qd工况下内部干涉激励强度在减弱，叶轮相位交错影响了该工况下扬程波动的主频。效率变化在设计工况下的波动幅值最大，在偏工况条件下方案B、C的效率的波动情况相对比较理想。通过对轴功率的非定常变化比较，在三个工况条件下方案B、C的轴功率波动比较稳定，在大流量工况下方案B的非定常轴功率变化最稳定。叶轮相位的改变对外特性特征量是有一定的影响的，外特性的变化是由内部干涉激励引起的，外特性的变化情况一定程度上反应出内部的干涉激励叠加变化情况。其中扬程的非定常变化规律和出口处的压力脉动变化规律存在高的相似度。
　　2.通过对前导叶和后导叶流道中监测点的压力脉动情况分析发现，前导叶流道内的流体主要脉动是受到导叶前的叶轮叶片的扰动作用，在后导叶流道中的流体同时受到前一级叶轮叶片和下一级叶轮叶片共同作用，前后两级叶轮形成两个干扰源同时对后导叶留到内的流体产生干扰。在对内部流场流动分析中发现，在靠近前一级叶轮出口处的正导叶的主要脉动是受到前一级叶轮出口叶片的扰动引起的，在反导叶流道中的流体同时前一级叶轮出口叶片和下一级叶轮叶片进口共同作用引起压力变化。对出口延伸段各监测点的压力变化分析发现，方案B、C、D三个方案的随着流量的增大压力变化趋于稳定，叶轮相位交错对出口处的压力变化起到一定的稳定作用。在静止部件流道中由干涉产生的压力变化主要和叶片数相关，表现在频域图中就是压力变化的主频和叶频相关。
　　3.叶轮相位交错使非定常条件下的转子受力矢量分布更集中，有效地减小转子受到的径向力；在0.6Qd工况下方案A径向力大小波动频率、径向力极值都明显高于其它三个方案，同时方案A、C、D的轴向力波动以低频和1倍叶频波动为主，方案B以低频波动为主。在1.0Qd工况下，四个方案的波动明显、变化趋势类似，方案B、C轴向力的波动幅值相对更小，主频为1倍叶频。在1.4Qd工况下，四个方案的波动明显，轴向力变化幅值相差不大，并伴随大量的高频波动。
　　综上所述：叶轮相位交错使多级离心泵的流场产生一定的改变，致使外特性特征量的非定常特性也会产生较大的变化；同时叶轮相位改变对转子受力情况得到改善。

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引言

1. 研究背景、目的及意义

1.1 课题来源

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

2. 研究内容及方法

2.1 研究内容及技术路线

2.2 流场分析方法

3. 流场计算结果与分析

3.1 多级离心泵外特性分析

3.2 多级离心泵内部压力脉动分析

3.3 本章小结

4. 转子受力分析

4.1 转子径向力分析

4.2 转子轴向力分析

4.3 本章小结

5. 结论与展望

5.1 研究总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢