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《江苏大学》 2018年
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双进口两级中开离心泵内部流动及非定常特性研究

王逸云  
【摘要】:我国大力倡导节水增效,对大型水利水电工程不断进行改造,以实现水资源的优化配置和高效利用。双进口两级中开离心泵是一种大流量、高扬程、大功率的特殊离心泵,在大型提水灌溉工程中起着重要的作用。同时大功率也决定了它耗能大的特点。双进口两级中开离心泵运行效率关乎泵及系统的高效节能,泵内部非定常流动关系到泵及系统的稳定运行。对双进口两级中开离心泵内部流动及非定常特性研究是一个非常重要的课题。本文在国家科技支撑项目“海水淡化高效节能高压泵、增压泵研发及产业化”(2014BAB08B00)资助下,采用数值模拟和试验研究的方法从内部流动和非定常特性两个方面对双进口两级中开离心泵开展了深入研究。本文的主要工作和创新成果如下:(1)利用ANSYS-ICEM对双进口两级中开离心泵原型泵水体域进行了结构网格划分,对双进口两级中开离心泵内部流场进行了非定常计算,并通过试验验证了模拟的可靠性。结果显示该泵在设计工况下扬程低于设计扬程约16%,试验得到的效率也远低于额定效率。通过对其内部流动模拟发现,流体受到级间流道反流道的结构影响,流体以较大的预旋速度流入次级叶轮,次级叶轮入流质量较差,流速较低,严重影响了泵的扬程。级间流道中静压呈对称分布,抵消了部分径向力,起到较好的平衡作用。(2)通过时频域分析,研究双进口两级中开离心泵内部压力脉动传播规律。发现双进口两级中开离心泵各部件内压力脉动频率均以叶片通过频率为主。吸水室的压力脉动变化较为平缓。首级叶轮的压力脉动受到与级间流道两个隔舌的动静干涉作用,主频出现在两倍叶频处,沿着流动方向,主频和谐频处压力脉动幅值都随之增大。级间流道的正流道中压力脉动主频出现在两倍叶频处,而隔舌处的主频则出现在一倍叶频处,且沿着流动方向,幅值先增大后减小。反流道由于上下对称结构,压力脉动规律也相同。由于内部的复杂流动,次级双吸叶轮工作面的主频随流动方向发生了改变,叶轮出口受到隔舌动静干涉作用,从叶片进口到出口处监测点的主频处压力脉动幅值逐渐增大。压水室隔板处隔舌压力脉动幅值较大,且随着流动方向逐渐减小。(3)针对前期研究出现的扬程低且次级叶轮进口流动质量差的问题,提出在级间流道的反流道内增加一对对称分布的隔板。进而对其进行模拟和试验研究,过程与优化前相同。结果显示:加入隔板后,扬程达到设计扬程,且设计工况下试验效率提高了5%。隔板对级间流道和次级叶轮的影响较大,这是由于隔板阻断了原先无隔板情况下的绕流运动,使得次级叶轮的入流在叶轮旋转作用下,流动更加有序,说明隔板起到了有效的导流作用,提供了较高质量的入流,从而扬程增加,效率提高。(4)首次基于熵产的流动损失分析方法对双进口两级中开离心泵的流动损失进行定性分析。流动损失中,湍动能耗散损失占主导地位。损失主要产生于次级叶轮、级间流道和压水室内。隔板对下游流动损失影响远远大于对上游流动损失的影响。隔板改善了反流道内流体流动状态,改变叶片进口处来流入射角,削弱次级叶轮进口的预旋,减少了冲击损失和能量耗散。(5)对比分析了有无隔板对双进口两级中开离心泵运行稳定性的影响。研究结果表明:隔板对下游压力脉动影响较大,在主频处有隔板结构的压力脉动幅值明显高于无隔板结构的泵。低频处脉动明显得到改善,这是由于进口预旋速度降低,且流态更加有序,对压力脉动的干扰作用减弱。在次级叶轮所受径向力方面,设计工况下,隔板在一定程度上可以减小双进口两级中开离心泵次级叶轮所受径向力。大流量工况下,隔板不利于叶轮出口区域流体速度和压力均匀分布,增大叶轮所受径向力。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH311;S277.9

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