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高速离心泵流固耦合动力特性的研究

钱玉琴  
【摘要】: 随着国民经济的发展,高速离心泵被广泛应用于石油化工行业和航空航天等领域。诱导轮和叶轮是高速离心泵的主要能量转换部件,叶片与粘性流场的相互作用不仅会激发叶片的强烈振动,严重时会导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳等影响泵站运行安全的事件发生。因此,高速泵流固耦合振动特性的分析对深入了解叶片的振动机理,避免水力共振,确保泵站稳定运行具有重要意义。 本文采用数值模拟方法,对高速离心泵内部流场进行研究并对其计算性能进行预测,分析诱导轮叶片和叶轮叶片的刚强度和振动特性,叶轮变形对扬程、效率以及轴功率的影响。 本文的主要研究工作及成果如下: 1.介绍了高速离心泵的发展过程和研究现状,并对其存在的问题进行简要分析,确定了基本研究路线。同时阐述了高速离心泵的基本设计理论,对诱导轮、叶轮及蜗壳进行水力设计,确定其主要结构参数。 2.应用Pro/E和CFD-ICEM软件,对实体泵和流道进行三维造型、网格生成、边界条件设置及壁面条件选取等,并采用Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型,利用CFX软件对其内部流场进行了数值模拟,得到叶片表面受力情况。通过试验性能曲线和计算性能曲线的对比分析,得出模型泵水力设计数据可靠。 3.应用ANSYS Workbench软件,采用顺序耦合方法,对诱导轮和叶轮分别进行静应力分析和模态分析,得到其空气中和水中两种环境下的动力特性,并对计算结果进行了详细的对比分析。结果表明:诱导轮叶片最大应力出现在轮毂和叶片交接处,该部位应力的变化梯度较大,易于发生疲劳破坏,最大变形出现在叶轮外缘,即该区域是振动敏感区;叶轮叶片的应力集中区域主要是叶片进口侧,叶片最大变形部位是叶片出口。构件在水中的固有频率较空气中有不同程度的降低;不同的环境对结构的固有频率有所影响,因此,在高速离心泵进行结构分析时,必须考虑流体与过流部件相互作用的影响。 4.应用ANSYS Workbench软件计算旋转离心力和水压力对模态的影响、诱导轮和叶轮在工作状态下的模态以及叶轮变形对泵性能的影响。结果表明:离心力和水压力对诱导轮和叶轮各阶频率均有细微影响,但其变化值相对较小,所以对固有频率及振型的影响也较小。对比分析叶轮变形前后,叶片受到水压力作用的情况,结果发现叶轮由于受到流场压力作用产生了明显的变形。同时,其扬程、效率、轴功率都存在一定程度的下降。


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