深井泵不同转速下性能的数值计算与试验研究

摘要

作为一种提供高扬程液体的通用机械，深井泵已被广泛应用于国民经济和社会生产的各个领域。由于泵体外径受到井径的限制，深井泵大多采用增加级数的方法来满足总扬程的需求，这会导致其轴向长度较大，因而给深井泵的安装与维修带来不便。为了提高深井泵的单级扬程、缩短其轴向长度，提高其运行转速已成为深井泵设计的一大趋势。本文以UG8.0、ANSYS CFX14.5等软件为工具，完成了100QJ20型高速深井泵的水力设计与数值计算，并通过性能试验验证了数值计算的准确性。　　本研究主要内容包括：⑴回顾了深井泵产品的发展历史，对其水力设计的相关研究做了简单的总结，并介绍了近年来泵内部流动与泵转速变化的研究现状。⑵基于等比例缩放设计法完成了100QJ20型深井泵的水力设计，并对初始模型（150QJ36型深井泵）与设计模型分别进行了三维建模与各计算域的网格划分，采用ANSYS CFX软件分别完成了两组模型的数值计算。两组模型的外特性在0.4~1.6倍额定流量工况范围内基本满足相似换算准则，其内部流场的分布规律具有较强的相似性与微小的差异性。对150QJ36型深井泵进行了性能试验，结果表明数值预测扬程与功率略低于试验结果，预测的效率略高于试验值，但整体上两者随流量的变化趋势基本一致，证实本文的数值模拟具有较高的精度。⑶对100QJ20型深井泵分别在三种不同转速方案下进行了多工况数值计算，分析了运行转速对深井泵性能的影响。结果表明不同转速下的深井泵扬程、功率预测值基本满足相似换算准则，泵效率则随着转速的提高而有所提升。这是由于不同转速下泵内的圆盘摩擦损失不符合相似换算准则而造成的，随着转速的提高，圆盘摩擦损失在轴功率中所占的比重不断下降。⑷在深井泵模型各计算子域中布置了多组监测点，完成了对深井泵模型在3种不同转速下的非定常数值计算，获取了各监测点的压力脉动数据。通过对压力脉动数据的无量纲处理与快速傅里叶变换，获得了压力脉动时域分布和频域分布，对比发现泵内压力脉动存在较为复杂的级间耦合与拍振现象。不同转速下泵内压力脉动的分布规律具有一定的相似性，但高转速下泵内压力脉动的主频频率要高于低转速下的，且转速的变化会引起某些监测点压力脉动相位的改变。⑸确定了三种不同的转速变化方式，并以此完成了不同转速变化方式下深井泵模型的非定常数值计算。在三种方案中，直线加速过程与开口向下的二次加速过程中，扬程的波动要弱于开口向上的二次加速过程，且开口向下的二次加速过程能够最先达到扬程要求；在泵加速过程中，叶轮流道内的二次流会得到明显的改善。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

第二章 基于缩比模型换算法的深井泵模型设计

2.1设计参数

2.2深井泵性能的数值预测

2.3数值模拟结果

2.4泵性能试验与对比分析

2.5本章小结

第三章 深井泵不同转速下的性能分析

3.1数值计算设置

3.2数值模拟结果

3.3泵性能试验结果

3.4本章小结

第四章 深井泵不同转速下的非定常流动研究

4.1非定常数值计算

4.2压力脉动分析

4.2非定常流动分析

4.3本章小结

第五章 深井泵转速变化过程的非定常数值计算

5.1变转速过程的非定常数值计算设置

5.2不同转速变化方式下的泵外特性

5.3不同转速变化方式下的泵内流场分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及取得的成果