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基于径向基函数的叶片进口边对离心泵空化性能的影响预测

张书玮  
【摘要】:随着科学技术的不断发展,流体力学、计算流体力学、流体机械测试技术等学科的理论与应用得以有较大进步,从而使得离心泵内部流动问题的研究也得到迅速发展。目前离心泵的应用越来越广泛,对离心泵在各个领域的安全、稳定运行也提出越来越高的要求。但是,作为水力机械中的一大难题—空化,一直制约着离心泵的发展,其不仅对离心泵的稳定运行产生影响,还对离心泵的过流部件造成较大的破坏。影响其内部空化发生的因素有很多,本文以离心泵叶片进口边为研究对象,采用数值计算与理论分析相结合的方法对叶片进口边形状及位置对离心泵空化性能的影响进行研究及分析。具体的研究内容有以下几个方面:1.通过对不同离心泵叶片进口边形状进行对比分析,发现圆锥型叶片进口边的离心泵具有更优秀的空化性能,该叶片在进口部分更符合流线形规律,可改善流体在该处的入流状态,减少叶片进口边对流体的冲击作用。2.保持叶轮轴面截线形状不变,通过改变轴面截线上叶片进口边在前、后盖板处的位置,得到具有不同前、后掠角度的叶片进口边,经过数值计算得到不同叶片样本的空化性能曲线,并对离心泵内部空泡分布情况进行分析,可总结出当叶片进口边在前盖板处位置改变时对空化性能有较大影响,而叶片进口边在后盖板处位置改变时对空化性能影响较小。3.分析了不同叶片样本的叶片载荷分布情况,叶片进口边在前盖板处前掠时具有较好的空化性能,其与原型叶片相比在叶片进口部分具有较小的载荷分布,叶片工作面压力较低,叶片背面压力较高。从而当离心泵进口压力降低时,该叶片与原型叶片相比其背面压力更难降低到该温度下液体的汽化压力,从而在叶片背面进口边附近更难以产生空泡,因此具有较好的空化性能。而叶片进口边沿着后盖板前掠使得进入叶轮的小部分流体受到叶片由后盖板向前盖板方向的作用力,并且叶片背面后盖板处提前受到液流的冲击使该处压力比原型更高,这两个因素阻止了在进口边前盖板处产生的气泡向后盖板扩散,从而可以避免气泡对叶片流道的堵塞,因此这种离心泵样本在内部空化有一定程度之后扬程下降速率更慢。4.对具有不同叶片样本的离心泵蜗壳内部非定常压力脉动情况进行了分析,具有较好空化性能的叶片样本,在相同NPSHa时其叶轮内部空化区域更小,从而对内部流域的流动影响较小。而空化性能较差的叶片样本,叶轮内部较大的空化区域导致叶轮内部流动的紊乱,产生较多的漩涡,从而直接影响到蜗壳内部压力脉动的程度。5.提出了基于径向基函数(RBF)的叶片进口边位置对离心泵空化性能的影响预测,将叶片进口边前盖板处扭掠角度和后盖板处扭掠角度作为两个设计变量,将离心泵的必需空化余量NPSHr值作为预测值,利用RBF方法建立了不同叶片进口边位置对离心泵空化性能影响的预测模型,取得了较为准确的预测结果。


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