高速诱导轮离心泵抗汽蚀特性的数值计算与实验研究

摘要

高速离心泵在高速下运行，离心叶轮极易发生空化，空化的发生会造成离心泵性能的下降，产生空蚀破坏，同时也会使机组的振动加剧，严重时甚至会产生灾难性的后果。目前，防止高速离心泵发生空化的最有效的途径之一是在高速离心主叶轮前加装一诱导轮，因此对离心泵和诱导轮内的空化展开研究是一项有意义并且很有必要的课题。目前，对旋转空化两相流的研究仍处于探索之中，尤其是水力机械和诱导轮内的空化流动机理尚未完全明确，揭示空化流动的机理是学术界和工程界都需要急待解决的一个问题。本文在国家自然科学基金项目(NO.51076144)、浙江省自然科学基金项目(NO.Y1100013)和浙江省公益工业类项目(NO.2012C21013)的资助下，从理论分析、数值计算、外特性性能实验和可视化实验等方面入手对该高速离心泵和诱导轮内的空化演变过程、空化流动机理等进行了较为系统的研究分析。
　　论文首先开展了非汽蚀状态下的单相流动数值计算，揭示了设计工况点下和不同工况点下前置各诱导轮时高速离心泵内的流动机理。其次，开展了汽蚀状态下的旋转空化流动的数值计算，揭示了设计工况点和不同转速工况点下前置各诱导轮高速离心泵内的旋转空化现象，揭示了在不同空化系数下空化发展的过程。再次，以前置诱导轮的高速离心泵为研究对象进行了外特性性能实验，得到了多工况下，在前置各诱导轮情况下该高速离心泵的性能曲线;最后对诱导轮内的旋转空化进行了可视化研究，进一步揭示了空化的时空演化规律。综上所述，本文主要结合数值计算、外特性实验及可视化实验三种研究手段，进行了对比分析、验证，证明了本论文研究方法的可行性和结论的正确性。
　　论文的主要研究工作如下:
　　(1)进行了高速诱导轮离心泵在非汽蚀状态下的单相流动计算。以外特性实验结果做为边界条件，在设计工况点和各转速相似工况点下，对前置各种诱导轮的高速离心泵进行了单相流动数值计算，通过计算得到了诱导轮和离心泵内的压力分布情况，得到了叶轮内和诱导轮内的最低压力情况，揭示了在非汽蚀状态下诱导轮和高速离心泵内部流动的情况。
　　(2)进行了高速诱导轮离心泵汽蚀状态下旋转空化流动的数值计算。对前置各种诱导轮的高速离心泵进行了旋转空化流动的数值计算，通过计算揭示了在汽蚀状态下，诱导轮和高速离心泵主叶轮在设计工况点和不同转速工况点下的旋转空化现象，揭示了诱导轮和主叶轮在不同空化系数下空化发展的过程。
　　(3)开展了前置各种结构诱导轮高速离心泵的外特性性能实验研究。通过实验，得到了各转速相似工况（转速为2000r/min～8000 r/min）下的外特性性能曲线;对各种诱导轮的抗汽蚀性能进行了分析比较，得到了抗汽蚀性能较好的诱导轮为变螺距诱导轮，得到了叶片数相对较佳的变螺距诱导轮为三叶片变螺距诱导轮;对各转速下的相似工况点进行了汽蚀实验，得到了其抗汽蚀性能随着转速的增加而降低的结论。
　　(4)开展了分流叶片诱导轮内旋转空化的可视化研究。通过高速摄像图片的分析，进一步揭示了诱导轮内空化发生的位置、空化发生的程度等，进一步揭示了空化的时空演化规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要研究目标和内容

1．3．1 论文的研究目标

1．3．2 论文的研究内容

第二章 高速诱导轮离心泵非汽蚀状态下的单相流动数值计算

2．1 控制方程

2．2 非汽蚀状态下的单相流动数值计算

2．2．1 无诱导轮时的内部流动情况

2．2．2 诱导轮结构型式对内部流动特性的影响

2．2．3 变螺距诱导轮叶片数对内部流动特性的影响

2．2．4 不同转速工况对内部流动特性的影响

2．3 本章小结

第三章 高速诱导轮离心泵汽蚀状态下旋转空化流动的数值计算

3．1 控制方程

3．2 汽蚀状态下旋转空化流动的数值计算

3．2．1 无诱导轮时的内部空化流动情况

3．2．2 诱导轮结构型式对内部空化流动特性的影响

3．2．3 变螺距诱导轮叶片数对内部空化流动特性的影响

3．2．4 不同转速工况对内部空化流动特性的影响

3．2．5 不同空化系数下内部空化流动情况

3．3 本章小结

第四章 高速诱导轮离心泵的外特性实验研究

4．1 诱导轮和高速诱导轮离心泵的结构

4．2 性能实验

4．2．1 实验系统

4．2．2 外特性性能实验

4．3 本章小结

第五章 高速诱导轮离心泵空化流动高速摄像实验研究

5．1 高速摄像实验系统及实验方法

5．1．1 实验系统

5．1．2 实验方法和结果

5．2 结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

致谢