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離心泵非定常湍流場計算及流體誘導振動研究
閱讀：2004 發(fā)布時間：2012-10-9
離心泵廣泛應用于化工流程、工農(nóng)業(yè)供水等領域。是火箭燃料供給、核潛艇供排水以及核電站冷凝供水等航天和軍工領域的關鍵設備。離心泵流體誘導振動主要是由于空化、旋轉(zhuǎn)失速以及動靜干涉等引起的強迫振動。流體誘導振動將引起機械故障、材料疲勞和噪聲等。因此,通過離心泵內(nèi)部流場分析和試驗研究尋找振動的誘因,既可有效抑制振動的發(fā)生或者減緩振動以延長設備壽命、改善工作環(huán)境并避免機械故障的發(fā)生,又可利用離心泵的流體誘導振動實現(xiàn)對泵流動工況的非接觸測量與監(jiān)測。本文主要工作及創(chuàng)造性成果如下:1.分析了引起離心泵流體誘導振動的相關流體力,主要是流動脈動、旋轉(zhuǎn)失速、空化脈動等不穩(wěn)定現(xiàn)象引起的流體力;與吸入渦、排出渦等的干涉引起的流體力;動、靜葉片干涉引起的流體力;葉片制作誤差產(chǎn)生的不平衡流體力。把這些流體力引起的振動分為自激振動和強迫振動。
介紹了低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計法的基本原理。建立了求解低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計時計算兩個放大系數(shù)的約束方程組,數(shù)值計算得到了能夠在運行點獲得zui率點的比轉(zhuǎn)速放大系數(shù)的系列曲線圖。進而得到了比轉(zhuǎn)速放大系數(shù)與流量放大系數(shù)的關系,以及建立在這一關系基礎上的葉輪出口寬度計算公式。優(yōu)化得到的曲線與現(xiàn)有的加大流量設計法運行的水力模型是一致的。進一步完善了低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計法。然后采用加大流量設計法設計了實驗用泵。介紹了實驗設備由實驗循環(huán)回路裝置和數(shù)據(jù)采集儀器兩部分組成,試驗在多個流動工況和流動條件下進行數(shù)掘采集。測得了振動信號中含有葉輪葉片和蝸室之間相互干涉的信息。
利用FLUENT軟件對離心泵全流道內(nèi)進行了三維定常和非定常湍流場數(shù)值模擬。三維定常的計算結果較全面地揭示了非設計工況下離心泵全流道內(nèi)的速度、靜壓和湍動能分布規(guī)律。隨著流量由小到大,速度逐漸減小,在小流量工況下葉輪流道內(nèi)速度梯度較大;進出口之間的靜壓差減小且在大流量時葉輪出口處出現(xiàn)尾跡流;湍動能的分布越來越均勻。非定常計算結果揭示了離心泵內(nèi)受葉輪-蝸殼動靜干涉引起的非定常流動特性。
主要結論有:（1）監(jiān)測了設計工況下葉輪流道不同半徑處壓力脈動的變化。流道各半徑處的壓力脈動成周期性,且主頻接近葉片的通過頻率。葉片掃過蝸殼隔舌的一個周期內(nèi)不同時刻的靜壓值不同。分析了不同軸截面的壓力脈動,其脈動曲線基本相同。在蝸殼流道內(nèi)設立監(jiān)測點來分析蝸殼不同截面處的壓力脈動,蝸殼內(nèi)沒有出現(xiàn)高頻脈動。（2）在非設計工況下,葉輪流道的出口處出現(xiàn)射流一尾跡現(xiàn)象,且隨著流量的增加射流-尾跡區(qū)域越來越大。每個葉片的尾部在蝸殼內(nèi)的靜總壓分布圖上留下了明顯的尾跡區(qū)。分析了非設計工況下蝸殼不同截面處壓力脈動分布,隨著流量的增大螺旋段的脈動幅度減小。在小流量和大流量工況下出現(xiàn)高頻脈動。4.根據(jù)NPSHr的定義公式,提出了預測泵凈正吸頭曲線的方法。應用出口壓力波動特性對泵空化進行了檢測,驗證了在大流量區(qū)域與NPSHr的定義預測得到的結果是比較一致的。離心泵發(fā)生空化時,空化區(qū)域的長度在葉片前緣是周期性振蕩的,在振動信號中的表現(xiàn)就是出現(xiàn)與葉片通過頻率準周期的振動,通過分析振動信號中是否存在準周期振動信號來判斷空化是否已經(jīng)發(fā)生。應用Huguchi方法求解振動信號的分形維數(shù)。分形維數(shù)在1.2附近沒有發(fā)生空化;分形維數(shù)固定在2附近空化*發(fā)展。
離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當雨傘緩慢轉(zhuǎn)動時，水滴會跟隨雨傘轉(zhuǎn)動，這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉(zhuǎn)動加快，這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動，那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動，如果速度太快，繩子將會斷開，石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據(jù)這個原理設計的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，將水甩出，從而達到輸送的目的。
介紹了低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計法的基本原理。建立了求解低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計時計算兩個放大系數(shù)的約束方程組,數(shù)值計算得到了能夠在運行點獲得zui率點的比轉(zhuǎn)速放大系數(shù)的系列曲線圖。進而得到了比轉(zhuǎn)速放大系數(shù)與流量放大系數(shù)的關系,以及建立在這一關系基礎上的葉輪出口寬度計算公式。優(yōu)化得到的曲線與現(xiàn)有的加大流量設計法運行的水力模型是一致的。進一步完善了低比轉(zhuǎn)速離心泵加大流量設計法。然后采用加大流量設計法設計了實驗用泵。介紹了實驗設備由實驗循環(huán)回路裝置和數(shù)據(jù)采集儀器兩部分組成,試驗在多個流動工況和流動條件下進行數(shù)掘采集。測得了振動信號中含有葉輪葉片和蝸室之間相互干涉的信息。
利用FLUENT軟件對離心泵全流道內(nèi)進行了三維定常和非定常湍流場數(shù)值模擬。三維定常的計算結果較全面地揭示了非設計工況下離心泵全流道內(nèi)的速度、靜壓和湍動能分布規(guī)律。隨著流量由小到大,速度逐漸減小,在小流量工況下葉輪流道內(nèi)速度梯度較大;進出口之間的靜壓差減小且在大流量時葉輪出口處出現(xiàn)尾跡流;湍動能的分布越來越均勻。非定常計算結果揭示了離心泵內(nèi)受葉輪-蝸殼動靜干涉引起的非定常流動特性。
主要結論有:（1）監(jiān)測了設計工況下葉輪流道不同半徑處壓力脈動的變化。流道各半徑處的壓力脈動成周期性,且主頻接近葉片的通過頻率。葉片掃過蝸殼隔舌的一個周期內(nèi)不同時刻的靜壓值不同。分析了不同軸截面的壓力脈動,其脈動曲線基本相同。在蝸殼流道內(nèi)設立監(jiān)測點來分析蝸殼不同截面處的壓力脈動,蝸殼內(nèi)沒有出現(xiàn)高頻脈動。（2）在非設計工況下,葉輪流道的出口處出現(xiàn)射流一尾跡現(xiàn)象,且隨著流量的增加射流-尾跡區(qū)域越來越大。每個葉片的尾部在蝸殼內(nèi)的靜總壓分布圖上留下了明顯的尾跡區(qū)。分析了非設計工況下蝸殼不同截面處壓力脈動分布,隨著流量的增大螺旋段的脈動幅度減小。在小流量和大流量工況下出現(xiàn)高頻脈動。4.根據(jù)NPSHr的定義公式,提出了預測泵凈正吸頭曲線的方法。應用出口壓力波動特性對泵空化進行了檢測,驗證了在大流量區(qū)域與NPSHr的定義預測得到的結果是比較一致的。離心泵發(fā)生空化時,空化區(qū)域的長度在葉片前緣是周期性振蕩的,在振動信號中的表現(xiàn)就是出現(xiàn)與葉片通過頻率準周期的振動,通過分析振動信號中是否存在準周期振動信號來判斷空化是否已經(jīng)發(fā)生。應用Huguchi方法求解振動信號的分形維數(shù)。分形維數(shù)在1.2附近沒有發(fā)生空化;分形維數(shù)固定在2附近空化*發(fā)展。
離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當雨傘緩慢轉(zhuǎn)動時，水滴會跟隨雨傘轉(zhuǎn)動，這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉(zhuǎn)動加快，這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動，那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動，如果速度太快，繩子將會斷開，石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據(jù)這個原理設計的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，將水甩出，從而達到輸送的目的。
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