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变螺距诱导轮对高速离心泵性能及

时间:2017-10-26  来源:本网  浏览次数:369

  随着离心泵机组向高速化发展,对离心泵的汽蚀性能要求基金项目:国家自然基金(50979034);江苏省高校自然科学研究项越来越高,而在主叶轮前加装诱导轮,可以有效提高其抗汽蚀性能己成为国内学者的共识。

  为了进一步提高诱导轮性能,诸多学者在各个方面进行了更为深入地研究诱导轮的汽蚀性能和扬程,诱导轮与泵主叶轮在结构和能量方面的匹配,诱导轮内流场CFD分析56,诱导轮的应力及强度分析以及变螺距诱导轮的水力设计方法等。加装诱导轮对提高高速离心泵汽蚀性能有明显作用,但是也应考虑诱导轮的使用条件与缺点。泵内的压力脉动和径向力是离心泵产生振动和不稳定的重要原因之带诱导轮流童扬程一,因此研究诱导轮对高速离心泵内的压力脉动和径向力的影响对提高高速泵的可靠性有重要意义。

  本文通过数值模拟研究加装变螺距诱导轮和无诱导轮的两个高速离心泵模型内的压力脉动和径向力分布,分析诱导轮对高速离心泵内流场及性能的影响,并对造成这些影响的原因进行研究,对高速离心泵的可靠性的提高有指导意义。

  1计算模型及数值计算方法l.i模型泵性能与主要结构参数=7600rpm,叶片数Z为6长6短,叶片出口直径A=100mm,叶轮出口宽度=4mm,叶轮进口直径A=32mm. 1.2变螺距诱导轮的参数变螺距诱导轮设计在很大程度上是取决于经验,其设计方法可见并且要符合模型泵的实际结构。表1是该模型泵的变螺距诱导轮的主要性能参数。是该诱导轮的三维模型。

  表1诱导轮主要性能参数Tab.参数数值参数数值叶片数进口轮毂比轴向长度/mm出口轮毂比轮缘直径/mm轮缘间隙/mm叶栅稠密度变螺距诱导轮三维模型1.3数值计算方法及监测点定位采用有限体积法进行离散求解,利用ANSYSCFX12.0全隐式耦合多网格线性求解器,采用SS丁模型,对所有变量整场联立求解,同时求解连续方程和动量方程组。采用ICEM-CFD软件对模型进行前处理得到四面体混合网格。非定常计算采用总压进口,速度出口作为边界条件,固体壁面为无滑移边界条件。给定固体壁面粗糙度为0.0125mm,可以提高预测的准确性。

  叶轮旋转5个周期,总计算时间0.039 47s,叶轮每转3°作由对于清水离心泵内压力脉动的研究可知离心泵内的压力脉动主要是由叶轮与蜗壳动静干涉产生的尤其是在隔舌处最显著。为了研究蜗壳内的压力脉动变化情况,在蜗壳隔舌处设置监测点负,在蜗壳出口处设置外点,这样可以通过监测这些点的压力脉动变化情况可以知道高速离心泵内压力脉动分布。在叶轮进口处设置监测点办、外和用以监测叶轮进口处的压力变化情况。各监测点位置分布见。

  2结果与分析1两种模型泵的性能预测针对有诱导轮和无诱导轮两种情况,基于不同工况下的模拟结果,预测获得两种高速离心泵模型外特性曲线如所示。从可见,加装变螺距诱导轮之蜗壳内监测点分布后,泵的扬程较无诱导轮的有所Fig2IndiCatrPinSS提高,说明变螺距诱导轮做功增高速泵的扬程。通过两个模型泵效率曲线的比较,加装变螺距诱导轮之后,模型泵效率降低,这个现象与中发现的加装等螺距诱导轮对离心泵效率下降现象基本一致,说明变螺距诱导轮和等螺距诱导轮都是轴流式叶轮,虽然翼型有所不同但都具有轴流叶轮相同的特点。从效率曲线中可以看到随着流量的增加有诱导轮模型泵效率与无诱导轮模型泵下降越大,说明随着流量增大轴流诱导轮效率下降,导致带诱导轮模型泵效率也有所降低。

  轮流童扬程流最预测得到的两种模型泵的外特性曲线2.2叶轮进口的压力脉动对比分析是有诱导轮和无诱导轮高速离心泵模型的叶轮进口各监测点在流量Q、0.7Q、1.4Q下的时域图。

  非定常计算是在定常计算的基础上进行的,中各个监测点在不同流量下的时域图的横坐标为时间,纵坐标为监测点在各个流量下的静压值。

  由可知,无论是否有诱导轮,随着流量增大高速离心泵叶轮进口的压力随之降低,这与离心泵在大流量工况下,其抗汽蚀性能降低相符合。在各个流量下,有诱导轮的离心泵的进口压力均大于无诱导轮的高速离心泵,并且压力变化曲线较平缓。

  这说明诱导轮产生的扬程使叶轮进口能量增加,叶轮进口压力增大,从而提高泵的抗汽蚀性能,达到了诱导轮的设计目的。无诱导轮泵叶轮进口的压力波动比有诱导轮叶轮进口更为明显,说明诱导轮能改善叶轮进口的流动状况,使叶轮进口的流场更加均匀,减少能量消耗,提高泵的性能及抗汽蚀性能。

  2.3蜗壳内的压力脉动分析是两种模型泵隔舌处的压力脉动时域图。通过可知两种模型泵隔舌处的压力脉动波形都呈现出明显的周期性,无诱导轮泵隔舌处的压力小流量下平均值最大。而有诱导有、无诱导轮叶轮进口压力脉动的时域图轮泵隔舌处压力平均值在大流量工况下最小,小流量下平均值最大,与一般无诱导轮泵的压力变化规律相同。通过对比分析可知,高速离心泵在加装诱导轮之后,在小流量工况下由于诱导轮做功增加了叶轮进口能量使泵内的压力增大,而大流量下诱导轮做的功与叶轮做功相比只占很小的比例,对泵内的压力变化影响不大。

  隔舌处压力脉动时域图是隔舌监测点在流量0. 4Q下的频谱图。频谱图具有两个重要意义,一是从时域的波形中分解出各个频率所含有震动成分大小,从中可以获得波形的卓越震动频率;另一个重要的意义是将时域的波形转换到频域,或将频域的信号返回到时域。因此对于本文可以从时域图中分析出频谱图,利用频谱图分析出造成泵内压力波动的卓越频率,从而找出压力波动主要影响因数,卓越频率为幅值最大点对应的频率。参照中有无诱导轮两种模型泵隔舌处压力脉动的频域图,隔舌处压力脉动的频率主要是分布在3099HZ以下区域,而更高频区域影响较小。各个工况下,隔舌监测点的卓越频率即主频都在7602和1520HZ左右,这刚好等于轴频与长叶片和总叶片数的乘积。在760HZ下,无诱导轮监测点的幅值要远小于有诱导轮隔舌监测点,而在设计和大流量工况下无诱导轮监测点要稍大于有诱导轮泵的隔舌监测点,且同一模型泵在此频率下得幅值随流量增大而增大。15202下,同一模型泵的幅值变化均不大,而有诱导轮的监测点的幅值要小于无诱导轮离心泵监测点。

  和分别是两个模型泵蜗壳出口处的压力脉动时域和频域特征图。由可知在不同流量下,有和无诱导轮模型泵蜗壳出口监测点的压力随时间周期性脉动明显。加装诱导轮,设计工况下出口压力降低,小流量下压力升高。由可知有无诱导轮蜗壳出口的主要频率都是长、短叶片和总叶片数通过频率,有诱导轮高速泵蜗壳出口监测点的脉动幅值均比无诱导轮蜗壳出口有所降低,说明加装诱导轮能有效改善蜗壳出口的脉动情况。

  蜗壳出口压力脉动时域特征图Fig.蜗壳出口压力脉动频域特征。4叶轮径向力分析是作用在叶轮上的径向力时域分布图。从可以看出叶轮受到的径向力与泵内的压力脉动相似都呈现出明显的周期性波动,且有和无诱导轮径向力随时间变化趋势基本一致。

  通过对中两种模型泵叶轮受到的径向力做统计分析得到表2.(a>有诱导轮有、无诱导轮高速离心泵叶轮径向力时域图Fig.表2有无诱导轮模型泵作用在叶轮径向力Tab.流量有诱导轮叶轮径向力无诱导轮叶轮径向力均值最大值均值最大值由表2可知,无论有、无诱导轮设计工况下叶轮所受的径向力均最小,大流量工况下径向力要大于小流量工况下的径向力,这与中离心泵叶轮上的径向力变化规律相似。

  但是加装诱导轮之后,设计工况和小流量下叶轮受到的径向力的均值与最大值都比无诱导轮模型泵稍大,其中设计工况下,均值和最大值分别增大15.13%和18.4%,这说明高速离心泵在加装诱导轮之后,叶轮上的径向力会变大,表明叶轮内的压力比无诱导轮情况增大与诱导轮产生扬程提高叶轮进口能量的作用相符。

  是两个模型泵叶轮受到的径向力矢量分布图。轴正半轴朝下是为了与三维造型轴方向一致,图中某一点的矢量坐标代表了某一时刻径向力的大小和方向。可以看出不同工况下有和无诱导轮时作用在叶轮上的径向力大小和方向时刻都在变化成明星的周期性规律。有和无诱导轮的叶轮上的径向力沿着轴对称分布。从矢量分布图可以知道叶轮旋转一圈内任意时刻径向力的方向、大小及随着叶轮旋转的变化情况。

  3结论通过分析有诱导轮和无诱导轮两种模型泵外特性、叶轮进口压力脉动特性、蜗壳内压力分布及作用在叶轮上的径向力分布情况可以得到以下结论:通过比较分析叶轮进口压力瞬态变化情况,有变螺距诱导轮的叶轮进口压力均值在各个工况下要比无诱导轮的叶轮进口压力要大,说明变螺距诱导轮可以有效提高高速离心泵0不同工况下有、无诱导轮高速离心泵叶轮径向力矢量分布图的汽蚀性能。并且变螺距诱导轮产生的扬程增加了叶轮的能量使高速泵扬程提升,但是随着流量的增大轴流式诱导轮本身的效率降低使得整个模型泵的效率也随之降低。

  通过分析带诱导轮和无诱导轮压力脉动的频域分析,说明离心泵内压力脉动产生均主要是由于叶轮和蜗壳动静干涉产生,且主频与叶频相一致。增加诱导轮对离心泵内的压力脉动频率影响不大,但是小流量下幅值增大而设计流量和大流量工况下则幅值降低。

  有和无诱导轮模型泵叶轮受到的径向力在设计工况下叶轮径向力最小,大流量工况下径向力要大于小流量下的径向力。加装诱导轮之后,设计工况和小流量下叶轮受到的径向力的均值与最大值都比无诱导轮模型泵增大,其中设计工况下,均值和最大值分别增大15.13%和18.4%.口

 

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