基于叶型优化的离心泵叶频激励抑制研究

作     者：张黎雯 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴大转;丁可金

授予年度：2023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：离心泵 数值计算 压力脉动 叶频激励 叶型优化 

摘      要：离心泵被广泛用于能源化工、水利电力以及日常生活中,并在航空航天、武器装备、核工业、医疗卫生等高技术领域中扮演着越来越重要的角色。与此同时,由于泵内复杂非定常流动引起的振动也越来越成为制约其深入发挥作用的关键因素,因此提升泵效率的同时抑制泵内流致激励具有重要意义。本文采用数值模拟和试验相结合的方法开展离心泵内非定常叶频激励特性研究,在此基础上搭建离心泵多目标自动优化系统,开展以叶频激励抑制为导向的离心泵叶型优化研究,得到综合性能提升的优化泵并进行试验验证,结合流场分析对比优化前后结构,为叶型设计提供参考。本文开展的主要工作如下:1、结合考虑离心泵内部流动特点及数值计算理论,选择合适的网格划分方案、湍流模型、边界条件、离散方式等对离心泵开展定常和非定常数值计算,搭建离心泵试验台并对模型泵进行测试,对比分析试验与数值计算结果,确定了满足本课题计算精度的数值计算方法。2、基于数值模拟和试验测试手段,开展了叶片厚度分布对离心泵性能影响的研究,通过对比分析定常流场内部流动和非定常流场叶频激励,揭示了叶片厚度分布改变对性能影响的内在原因,并探究了泵内叶频激励特性。结果表明:泵内叶频激励由叶轮与蜗壳间的动静干涉作用引起,且叶频激励强度与泵内流动状态相关,在设计工况附近达到最小;采用抛物线型的非均匀叶片厚度分布方式能够有效改善泵内整体流动状态,有助于在小流量和设计工况下提升外特性,同时显著抑制泵内叶频激励,改善振动情况。3、在离心泵内叶频激励特性研究的基础上,建立了非定常叶频激励强度与定常流场流态的关系,提出了采用叶轮出口绝对速度圆周分量的周向分布均匀性来表征泵内叶频处的压力脉动强度,并对指标进行了相关性分析。结果表明:叶轮出口速度圆周分布均匀性V定常指标与叶频处平均压力脉动幅值(?)非定常指标间存在强正相关性,且V和(?)的增长模式表现为“S型,当V较小时(?)增长缓慢,随着V的进一步增大,(?)迅速增加,而后随着V的增大,(?)增速放缓。4、在明确泵内叶频激励与流场流态关系的基础上,以叶频激励抑制为导向,兼顾水力效率提升,建立了离心泵叶型多目标优化系统,基于此系统实现了针对原型泵的优化,并通过结构分析提出了叶型设计方向。结果表明:优化后泵在设计工况下效率提高了4.19个百分点,在全工况下叶频处的压力脉动及振动强度均显著降低,泵内叶频激励得到有效抑制;在满足扬程要求的前提下适当减小叶片出口安放角,同时采用抛物线型的叶片厚度分布方式和积叠叶片有利于改善泵内流场,提升综合性能。本文在对比分析不同叶片厚度分布离心泵的性能及流场基础上,研究了泵内叶频激励特性并建立了非定常叶频激励强度与定常流场流态的关系,提出了采用叶轮出口绝对速度圆周分量的周向分布均匀性来表征泵内叶频处的压力脉动强度,搭建了以叶频激励抑制为导向的离心泵叶型优化系统,通过分析优化前后泵结构及流场提出了叶型优化设计方向,为高效率低振动离心泵设计提供参考。