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《兰州理工大学》 2016年
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压力梯度对离心泵叶轮性能影响的研究

李秋桐  
【摘要】:离心泵叶轮流道内的压力梯度是影响速度场分布的重要因素,而速度场的分布直接决定了叶轮性能的高低,因此在叶轮的水力设计中需考虑压力梯度对流动的影响。本文采用理论分析与数值计算相结合的方法研究了压力梯度对离心泵叶轮性能的影响。首先从理论上阐述了无压力梯度、顺压力梯度及逆压力梯度对流动的影响,理论分析表明:不同形式的压力梯度与流动的关系可以归纳为液体所受表面力与惯性力的相互作用问题。逆压梯度环境下,液体所受表面力与惯性力相反,对流动起阻碍作用,同时能加速边界层分离。其次应用CFD技术,对几种不同几何形状的渐扩管进行了内流场计算,从速度分布和水力损失两方面,阐述了不同分布规律的压力梯度对渐扩管内流动及其水力性能的影响,结果表明:渐扩管内过流面积分布是影响其内部压力梯度分布的主要因素。压力梯度越小,渐扩管水力性能越佳。离心泵叶轮流道内压力梯度取决于流道长度和流道内过流面积分布,改变叶片几何参数是控制叶轮流道长度和流道内过流面积分布的最直接手段。以比转速为63的单级单吸离心泵为研究对象,以降低叶轮流道内压力梯度为目标,通过调整叶片包角和进出口安放角的方式,研究了影响叶轮流道内压力梯度分布规律的主要因素,以及压力梯度与叶轮水力效率之间的关系。主要研究过程及结论如下:(1)保证叶片进出口安放角不变调整叶片包角。研究发现:当叶片进出口安放角不变时,随着叶片包角增加流道延长,出口与进口的过流面积比随之增加;流道各位置上过流面积减小,均呈现出先减小再增加的过流面积分布规律;各新设计的水力模型叶轮流道内压力梯度分布较为相似,呈线性递增规律;保持叶片进出口安放角不变只增大叶片包角,并不能有效改善流道内的压力梯度分布情况;由于壁面摩擦损失增多和流道的排挤效应增强,叶轮水力效率随包角的增加而下降;(2)增大叶片包角的同时调整叶片进出口安放角。研究发现:叶片包角增大的同时调整叶片进出口安放角,以使叶片型线成光滑过渡,流道进一步延长,出口与进口的过流面积比随之减小;由于流道出口过流面积显著减小,从而产生不同的过流面积分布规律;流道前部的压力梯度基本不受影响,从流道中后部开始,随着叶片包角的增大压力梯度明显降低,叶轮水力效率随之提升;(3)叶片包角不变调整叶片进出口安放角。研究发现:叶片包角不变时,随着进出口安放角的减小,流道长度基本不变,出口与进口的过流面积比随之减小;出口角对过流面积的影响远大于进口角;随着流道出口与进口的过流面积比减小,流道中后部压力梯度相应降低,叶轮水力效率进一步提升。通过系统研究表明,流道压力梯度分布是制约叶轮性能的重要因素。流道内的压力梯度分布规律由过流面积分布规律决定,叶片包角和叶片出口安放角是影响过流面积分布规律的主要因素。在一定范围内增大叶片包角并减小出口安放角,能够有效降低流道中后部的压力梯度,不仅能延缓或避免边界层分离现象的发生,同时可以改善速度场分布,减小速度梯度,从而降低叶轮内的水力损失,提高叶轮效率。最后,基于降低流道内压力梯度的叶轮水力设计方法,对一台节段式多级离心泵的首级与次级叶轮进行水力研发,并进行了试验验证,结果表明:所设计的多级泵各项指标正常,满足设计要求,并具有较宽的高效区。CFD预测曲线与试验性能曲线高度吻合,验证了数值计算方法的准确性,更是验证了压力梯度对叶轮性能影响研究成果的可靠性与可行性。本文的结论加深了对流体机械内流机理的认知程度,为离心泵叶轮水力研发和优化设计提供重要的参考信息,具有较高的工程应用价值。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH311

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