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离心泵面积比与水力性能及激励特性关系的研究

杜文强  
【摘要】:离心泵的振动噪声性能近年来受到广泛关注,振动噪声的产生主要由机械因素和水力因素导致。机械因素导致振动噪声的原因目前学术界和工程界有了比较明晰的认识和理解,并且有了相应的降振减噪措施;而后者的诱因目前尚不完全清楚,相关的降噪措施体系也并不完善。离心泵内部流动与水力部件内部流道结构息息相关,而水力部件流道的几何参数间并非相互独立,过流面积是建立各参数间关联关系的桥梁,研究过流面积变化规律(面积比)与水力性能、激励特性的内在关系,代替传统的各几何参数单因素对泵性能的影响,可为低噪声泵水力设计开辟新思路,提供新方法。为体现一定的普适性,覆盖离心泵常用比转速范围,本文选择6种中低比转速离心泵为研究对象,构建了从叶轮进口至蜗壳喉部之间关键过流断面的面积比,采用数值计算方法开展了大量各比转速不同面积比下泵水力性能、激励特性的数值预测,分析、总结了面积比与泵性能的关联关系,最终在闭式实验台上进行外特性能及激励特性测量,以验证数值模拟结果。主要工作及获得的结论如下:1、对现有宽比转速范围内的大量离心泵优秀水力模型进行了统计,总结出了不同比转速泵的面积比分布情况。中低比转速的面积比分布范围较宽,高比转速的面积比取值较集中。2、对6种中低比转速离心泵展开全流道的面积比设计,对其进行多工况的定常计算和在设计工况下的非定常计算。提出了水力效率降系数Δη、压力脉动系数Cp、叶频幅值降系数ΔCp以及某一频段内的RMS值等水力性能和激励特性的评价方法与标准。3、通过对叶轮吸入段性能的分析,获得了不同面积比对叶轮性能影响的规律。叶轮进口雷诺数Re随比转速变化较大,Re在一定范围内对叶轮水力性能影响较小,但对压力脉动性能影响较大,如比转速ns=125时叶轮水力效率在Re=5.49~6.06×105内几乎没有变化,而叶频幅值则先降低后增加。叶片进口面积S_1与进口面积S_0之比的值随比转速变化较小,其范围为S_1/S_0=0.3~0.6,在此范围内,不同比转速不同面积比的叶轮水力性能和压力脉动能量变化较大,其随面积比变化的规律性较弱。4、不同比转速下的叶轮内叶片流道出口与进口面积比值S2/S_1较为集中,即S2/S_1在1.1~1.5之间;叶轮水力性能和激励特性对面积比S2/S_1较为敏感,但二者之间的规律性较弱。蜗壳基圆过流断面面积与叶轮出口面积比S_3/S2关系中,当叶轮出口面积S2变化较大时,泵水力性能及激励特性变化较大;相反,当S2变化较小时,S_3/S2的变化对泵水力性能影响则较小,适当增大面积S_3/S2有利于降低泵内的压力脉动水平。5、喉部面积与蜗壳基圆断面面积之比S_4/S_3中喉部面积占主导;仅喉部面积发生变化时,泵的水力效率随面积比的增加而降低,径向力变化较小,压力脉动水平降低。蜗壳面积变化规律对泵水力性能影响显著,采用上凸式和S型变化规律的蜗壳时泵的水力性能较佳,采用线性式变化规律的蜗壳径向力最小,S型变化规律的蜗壳则可有效降低泵内的压力脉动水平。比转速ns=69的模型泵叶轮出口面积与蜗壳喉部面积之比Y在2.93~3.32内时,其对泵水力性能影响较小;当Y大于3时,压力脉动能量得到有效降低。6、在闭式实验台上对低比转速模型泵进行外特性能、压力脉动测量,实验结果表明不同面积比的压力脉动频谱特性相似,轴频能量随流量和测点的变化较小。与数值模拟结果相同,适当减小面积比Y的值能有效降低压力脉动能量。


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