高速离心泵内全流道三维流动及其流体诱发压力脉动研究

【摘要】：由于高速离心泵结构紧凑、造价低,在航天等工程领域中有着广泛的应用前景。但随着转速的提高,其运行稳定性愈来愈得到重视,流体诱发压力脉动已成为无法回避的问题。如何在设计阶段预估高速离心泵全流道内流体诱发的压力脉动,优化设计,也就成为一重要课题,这对有效降低高速离心泵的运行风险具有十分重要的意义。 本研究为了分析高速离心泵中诱导轮叶片出现裂纹的原因,利用湍流雷诺方程、标准 湍流模型、RNG 湍流模型及滑移网格技术,采用自行发展的Fortran语言程序计算了高速离心泵内诱导轮、导流支座和离心叶轮的三维定常湍流流动,利用Fluent程序计算了高速离心泵内全流道的三维非定常湍流流动。 高速离心泵内的三维定常湍流流动计算结果不仅为诱导轮内部流场诊断提供数据,还指出了该泵中存在的部件设计问题。但分部件的定常流动计算结果难以透彻分析诱导轮叶片断裂的原因。 故本文利用三维非定常流动结果反映了高速离心泵中三级动静干扰对流体流动产生的非定常影响。以此为基础得到了高速离心泵流道内的流体诱发压力脉动。此外导叶扩压器与离心泵叶轮间隙内的流体非定常流动特性充分反映了旋转动轮与静轮间动静干扰问题。 为了验证三维定常与非定常湍流计算结果的可信度,本文对所研究的高速离心泵进行了能量试验与压力脉动试验。能量试验测量了高速离心泵在不同工况下的净扬程及工作流量,压力脉动试验测量了诱导轮内的压力脉动信号。经比较,试验结果与计算结果吻合较好。 本文利用局部涡动力学法、涡结构分析法和过流部件的损失分析诊断了高速离心泵内流体诱发振动的原因,并校核了传统的损失经验计算公式。涡动力学法是从叶片设计的角度分析诱导轮叶片产生裂纹的涡动力学根源,而涡结构分析法是利用正则化螺旋度法计算各轴向截面的涡结构及涡核位置的分布,来分析诱导轮内的流动。 本文将流体压力脉动作为诱导轮叶片动态应力分析的外载荷,利用间接顺序法和模态叠加法计算了诱导轮叶片的三维非定常动态应力分布,其结果进一步说明了叶片出现裂纹的原因。