不同叶顶间隙下半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡特性研究

作     者：王金鹏 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗兴锜;陈森林

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：半开式叶轮混流泵 叶顶间隙 泄漏涡 空化 压力脉动 

摘      要：半开式混流泵由于叶顶间隙的存在会产生叶顶泄漏流,叶顶间隙处的叶顶泄漏涡会引起空化并对内流场及设备性能产生重要影响。研究叶顶间隙变化对半开式混流泵空化及叶顶泄漏涡的影响具有重要的学术价值和工程意义。本文以某一三级半开式叶轮混流泵为研究对象,采用数值模拟和模型实验相结合的研究方法,在不同叶顶间隙下对模型泵的空化特性及其演变规律进行研究,进而开展叶轮内的能量转换及损失性能进行分析,并对叶顶泄漏涡特性及压力脉动与叶轮受力情况进行了深入研究,主要结果如下:(1)在无空化前提下研究不同叶顶间隙对三级混流泵的性能的影响,结果表明叶顶间隙的存在导致模型泵扬程、效率降低,叶顶间隙越大影响越明显;使用SST k-ω湍流模型进行数值计算,发现在空化工况下首级叶轮叶顶间隙越大,扬程下降越慢,当NPSHa=0.51m时三种模型均进入全空化工况;随着叶顶间隙增大叶轮流道内的气相体积分数降低,增压能力变强。其原因是叶顶间隙能够抑制半开式叶轮混流泵的空化情况,分析是由于叶顶间隙泄漏流有助于破坏叶轮进口处的低压空泡区,抑制叶轮内部的空化程度。(2)采用局部能量损失法以及熵产理论对首级叶轮的能量转换及损失特性进行研究发现,叶轮对流体的输入功主要是压力做功,随着有效空化余量的降低,做功较大的区域从叶片头部向尾部移动,叶轮传递给流体的输入功、输出功逐步降低,而功率损失逐步增加。其原因是随着空化现象的发生降低了叶轮的增压能力;而随着叶顶间隙的增大,叶轮传递给流体的输入功、有效功逐步降低,功率损失逐步增加,但是随着有效空化余量的降低,输入功、有效功降低的幅度以及功率损失增加的幅度降低;分析发现叶顶间隙主要对叶片头部区域产生的输入功、有效功产生影响。全空化工况下叶轮尾部区域功率损失大幅增加,主要是由尾部射流导致。叶轮部件是混流泵内产生能量耗散的主要区域,以湍流耗散为主;随着NPSHa的增大熵产率变大,同样叶顶间隙处也会产生较大的能量耗散,并且叶顶间隙增大引起能量耗散增加,但随着NPSHa降低叶顶处的能量耗散增大的幅度降低。(3)采用非定常计算的数值模拟计算方法,对叶顶泄漏涡空化、叶轮内部压力脉动、轴向力和径向力的变化进行研究发现,随着有效空化余量的降低,在叶轮入口气相体积分数增加,叶轮内部的涡面积明显增加;叶顶间隙增大后叶轮流道内的涡流反而减少,尤其在全空化工况下最明显;各监测点的主频为叶轮的转频,可见模型泵压力脉动主要是由于叶轮转动引起,另外在7倍频处也出现了较为强烈的压力脉动,说明动静干涉对该模型泵压力脉动具有一定程度的影响;叶顶间隙的存在能够有效降低叶轮所受轴向力的大小,也能降低轴向力的脉动情况,在不同的有效空化余量条件下临界空化工况叶轮所受的轴向力最大。叶顶间隙及有效空化余量的变化对叶轮所受径向力方向及大小也会产生影响,但变化规律复杂,δ=0mm叶轮在临界空化工况点的径向力波动幅度最大,轨迹偏移最明显。