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通過數(shù)值模擬和試驗,研究了葉輪口環(huán)間隙對離心泵性能的影響。為準(zhǔn)確計算離心泵的揚(yáng)程和效率,設(shè)計了包含前后泵腔在內(nèi)的全流場模型?；赗NG k-ε湍流模型,建立了3種口環(huán)方案,重點從湍動能、渦量和徑向力角度,分析了口環(huán)間隙對離心泵全流場水力效率和機(jī)械效率的影響。結(jié)果表明:當(dāng)口環(huán)間隙值減小時,離心泵的揚(yáng)程和總效率均增大。究其原因有:葉輪內(nèi)能量耗散降低;葉輪進(jìn)口處二次流對主流的沖擊作用減弱;離心泵的偏心渦動減弱;前腔泄漏量減少。通過對3種口環(huán)方案的綜合比較,確定葉輪口環(huán)采用方案I,效率高而且滿足工程實際應(yīng)用的需要。

在離心泵多工況研究方面，Neumann從泵內(nèi)流動損失分析出發(fā)。，建立了非設(shè)計工況下水力設(shè)計參數(shù)與通流部件幾何參數(shù)之間的關(guān)系。在帶分流葉片離心泵研究方面，Goto等采用全三維數(shù)值模擬的方法對泵葉輪中的分流葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提高了泵的吸入性能。何有世等對偏置的分流葉片離心泵葉輪內(nèi)三維不可壓湍流場進(jìn)行數(shù)值模擬。在無過載設(shè)計方面，國內(nèi)黎義斌。討論過無過載超低比轉(zhuǎn)速離心泵的改型設(shè)計。袁壽其等創(chuàng)建了無過載離心泵的理論和設(shè)計方法。，他指出減小葉片出口安放角可以控制軸功率，其目的是減小兩相鄰葉片間流道在出口與進(jìn)口的面積比[6]，緩解葉輪橫截面上的漩渦影響，但是這種方法在大流量下易導(dǎo)致過多摩擦損失和堵塞。本文針對低比轉(zhuǎn)速離心泵效率低和易過載等問題，采用無過載設(shè)計并添置分流葉片的設(shè)計方法，通過改變?nèi)~輪幾何參數(shù)，設(shè)計出3種優(yōu)化模型。利用ANSYS-CFX對各模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了外特性及內(nèi)部流動情況。后通過試驗驗證，選取優(yōu)設(shè)計方案，為設(shè)計更佳性能的低比轉(zhuǎn)速離心泵提供參考。

2優(yōu)化設(shè)計。1設(shè)計參數(shù)原型泵配套電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2900r/min，大軸功率PR為15kW，因此設(shè)計時必須防止電機(jī)過載。原型泵的設(shè)計流量為Q=24m3/h，設(shè)計揚(yáng)程為H=77m，效率要求高于48。3%。2葉輪優(yōu)化設(shè)計文獻(xiàn)。詳細(xì)闡述了加大流量設(shè)計法和無過載設(shè)計法。加大流量設(shè)計法可以通過增加葉片出口寬度b2或葉片出口安放角2等實現(xiàn)，但過大的出口安放角2會降低對流動的控制，而且易使配套電機(jī)過載[7]。雖然增加葉片數(shù)能使流動更加規(guī)律，但隨著葉片數(shù)增多，葉輪進(jìn)口堵塞和流道的摩擦相應(yīng)加大，從而降低泵的效率。文獻(xiàn)。指出通過添加分流葉片可以減少過多葉片葉輪進(jìn)口處的堵塞，尤其可以減小大流量下的水力損失，但分流葉片導(dǎo)致流場變得更加復(fù)雜，易使內(nèi)部流動不穩(wěn)定。

本文在綜合分析基礎(chǔ)上，設(shè)計3種葉輪進(jìn)行對比，葉輪1和葉輪2采用無過載設(shè)計法結(jié)合分流葉片設(shè)計法，葉輪3采用無過載設(shè)計法。葉輪的主要幾何參數(shù)見表1。表1葉輪優(yōu)化方案葉輪D1(mm)D2(mm)ZsZ2s()2()()b2(mm)葉輪14420207葉輪2702593320201807葉輪306108。3三維造型利用Pro/E對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維造型，計算域建立在泵幾何模型上，整個流場包括4個部分，即:進(jìn)口、葉輪、前口環(huán)、帶泵腔和出口的蝸殼。為了簡化計算，不考慮葉輪平衡孔和后口環(huán)。為了減輕進(jìn)、出口存在的回流，適當(dāng)延長進(jìn)口和出口水體部分[8]，計算域的水體如圖1所示。3種葉輪的流場區(qū)域如圖2所示。圖1計算域結(jié)構(gòu)(a)葉輪1(b)葉輪2(c)葉輪3圖23種葉輪的水體圖3數(shù)值計算。1網(wǎng)格劃分利用ICEMCFD1。

隨著對高速泵運(yùn)行穩(wěn)定性的要求越來越高，高速離心泵流動誘導(dǎo)振動問題引起越來越多研究人員的注意。流體誘發(fā)的振動主要由結(jié)構(gòu)不對稱產(chǎn)生的流體不平衡、動靜部件間的相對運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)渦帶產(chǎn)生的徑向不平衡及空化產(chǎn)生的流體壓力脈動所致。國內(nèi)外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動誘導(dǎo)振動問題也進(jìn)行了相關(guān)的研究:Gwo等。采用有限元方法計算了不同葉片組下的渦輪旋轉(zhuǎn)振動特性；Heijkoop等。借助ANSYS軟件計算了混流式水輪機(jī)在空氣中的靜、動態(tài)特性；王松嶺等。采用CFX軟件進(jìn)行流場計算、ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，并以MFX-ANSYS/CFX為數(shù)據(jù)耦合平臺，應(yīng)用弱耦合方法對風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行研究；何濤等[6]建立了一種適用于離心泵等葉輪機(jī)械流動誘發(fā)振動工程計算的數(shù)值模型，分析了泵流場、振動激勵源和振動響應(yīng)等特性。帶誘導(dǎo)輪高速離心泵由于設(shè)計時誘導(dǎo)輪的葉緣直徑已定，如果振動強(qiáng)烈將引發(fā)轉(zhuǎn)子與靜子的接觸，產(chǎn)生故障。本文基于SSTk-湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)行了三維非定常計算，并借助計算機(jī)輔助工程(CAE)多物理場協(xié)同仿真平臺ANSYSWorkbench1。

0，采用單向流固耦合方法對葉輪耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，分析帶誘導(dǎo)輪高速離心泵的流動誘導(dǎo)振動特性。1求解理論。1流場計算理論控制方程為描述泵內(nèi)部流場瞬時流動狀態(tài)的Navier-Stokes方程[7]:t+xi(ui)=0。(ui)t+(uiuj)xj=-pxi+eijxj。式中:eij=uixj+ujxi-23ijukx()k為粘性應(yīng)力張量。采用合適的湍流模型，設(shè)置合理的邊界條件對方程進(jìn)行求解便可以得到泵內(nèi)部流場的流動情況及任意位置處的物理值。2流動誘導(dǎo)振動的求解高速離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中流場和固體場是統(tǒng)一的，也就是會產(chǎn)生流固耦合作用，運(yùn)用流固耦合技術(shù)將流場和結(jié)構(gòu)場同時求解可以得到結(jié)構(gòu)的振動特性，也即流動誘導(dǎo)振動的解。流固耦合問題的求解可以分為強(qiáng)耦合求解和弱耦合求解兩種。強(qiáng)耦合方法指根據(jù)統(tǒng)一的耦合方程，在一個時間步內(nèi)對流體域和固體域中所有的未知量同時求解。弱耦合求解又稱單向耦合求解，是種分區(qū)迭代求解方法，指耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞時單向的。

對于離心泵內(nèi)流場，鑄造葉輪在流場中的變形微小，固體變形對流場的影響幾乎可以忽略，故本文采用單向流固耦合的方法進(jìn)行求解，計算流程如圖1所示。圖1計算流程圖Fig。1Flowdiagramofcalculation2流場計算。1計算模型高速泵性能設(shè)計參數(shù)如下:流量Q=7。5m3/h，揚(yáng)程H=75m，轉(zhuǎn)速n=7600r/min，軸功率P=4kW，比轉(zhuǎn)速ns=45，軸頻為126。6Hz。由于低比轉(zhuǎn)速泵相鄰流道間的擴(kuò)散比較嚴(yán)重，為了更好的滿足性能的需要本文在速度系數(shù)法設(shè)計的基礎(chǔ)上采用添加分流葉片的方法。為了提高泵的抗汽蝕能力，在葉輪進(jìn)口添置誘導(dǎo)輪。

隨著對高速泵運(yùn)行穩(wěn)定性的要求越來越高，高速離心泵流動誘導(dǎo)振動問題引起越來越多研究人員的注意。流體誘發(fā)的振動主要由結(jié)構(gòu)不對稱產(chǎn)生的流體不平衡、動靜部件間的相對運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)渦帶產(chǎn)生的徑向不平衡及空化產(chǎn)生的流體壓力脈動所致。國內(nèi)外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動誘導(dǎo)振動問題也進(jìn)行了相關(guān)的研究:Gwo等。采用有限元方法計算了不同葉片組下的渦輪旋轉(zhuǎn)振動特性；Heijkoop等。借助ANSYS軟件計算了混流式水輪機(jī)在空氣中的靜、動態(tài)特性；王松嶺等。采用CFX軟件進(jìn)行流場計算、ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，并以MFX-ANSYS/CFX為數(shù)據(jù)耦合平臺，應(yīng)用弱耦合方法對風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行研究；何濤等[6]建立了一種適用于離心泵等葉輪機(jī)械流動誘發(fā)振動工程計算的數(shù)值模型，分析了泵流場、振動激勵源和振動響應(yīng)等特性。帶誘導(dǎo)輪高速離心泵由于設(shè)計時誘導(dǎo)輪的葉緣直徑已定，如果振動強(qiáng)烈將引發(fā)轉(zhuǎn)子與靜子的接觸，產(chǎn)生故障。

本文基于SSTk-湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)行了三維非定常計算，并借助計算機(jī)輔助工程(CAE)多物理場協(xié)同仿真平臺ANSYSWorkbench1。0，采用單向流固耦合方法對葉輪耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，分析帶誘導(dǎo)輪高速離心泵的流動誘導(dǎo)振動特性。1求解理論。1流場計算理論控制方程為描述泵內(nèi)部流場瞬時流動狀態(tài)的Navier-Stokes方程[7]:t+xi(ui)=0。