轴流泵端壁型线优化设计及性能影响研究

作     者：雷昊雨 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张乐福;王维;刘胜柱

授予年度：2024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：轴流泵 端壁型线 叶顶间隙 叶顶堵塞 稳定性 

摘      要：轴流泵以其大流量、低扬程的输送特点被广泛应用于排涝灌溉,船舶推进和水利工程等领域。然而,轴流泵在小流量工况易出现扬程突降的失速现象,给泵的稳定运行带来了安全隐患。本文借鉴压气机端壁型线优化方面的研究经验,提出了针对轴流泵端壁型线的设计方法,并通过优化设计得到了最优的端壁型线设计方案,通过全通道非定常数值模拟探究了端壁型线对轴流泵效率及运行稳定性的影响机理,主要的研究工作和内容如下: (1)探究了轴流泵轮缘型线和轮毂型线对轴流泵效率和失速裕度的影响,其中轮缘型线包括弧线型和直线型轮缘结构。通过单通道定常数值模拟发现,弧线型轮缘结构对轴流泵性能有一定影响,当型线弧度减小时,轴流泵性能略有提升,但效果不明显.因而,在此基础上,设计了直线型轮缘结构并开展优化,相比于等外径型和渐缩型,渐扩型轮缘结构可有效提高轴流泵效率,较大幅度拓宽轴流泵运行稳定范围。不同的轮毂型线对轴流泵性能具有一定影响,但未与最优轮缘型线产生耦合提升效果。通过单通道定常数值模拟发现,在最优轮缘型线作用下,轴流泵的综合裕度改进量为20.53%,设计工况点效率改进量为1.10%。 (2)在不同叶顶间隙下研究了轴流泵轮缘型线对泵效率和稳定性的影响机理。叶顶间隙包括均匀间隙和非均匀间隙两种方案。结果表明,当叶顶间隙为均匀间隙时,对于原型和最优型线两种轮缘型线结构,轴流泵的综合裕度均随着叶顶间隙的增大而下降,而效率的变化规律不尽相同;在所研究的叶顶间隙范围内,优化轮缘型线结构能够有效提升泵的综合裕度和效率,尤其是在小叶顶间隙下提升量最大。当叶顶间隙为非均匀间隙时,对于两种轮缘型线结构,渐增型叶顶间隙会提高轴流泵的综合裕度,而渐减型间隙会降低轴流泵的综合裕度;在不同叶顶间隙形式下,优化轮缘型线结构均能够有效提升泵的综合裕度和效率,在渐减型叶顶间隙下裕度提升量最大。因而,优化轮缘型线在应对叶顶间隙变化时,相较于原型性能均更优,即在不同叶顶间隙下均能够有效提升轴流泵的性能。 (3)对原型轮缘型线和优化轮缘型线下的轴流泵开展了全通道定常和非定常数值模拟计算,优化型线使泵的综合裕度提高了 22.93%,设计工况下的效率提升了 1.05%,表明该设计在提升了效率的同时有效扩宽了轴流泵的稳定运行范围。通过对比分析原型和优化型线下轴流泵非定常流动特性发现,优化轮缘型线的设计有效改善了叶轮内部的流动状态,提高了叶轮的整体流速;其附面层厚度减少了 1.5%,缓解了轴流泵的叶顶堵塞。此外,优化型线还降低了轴流泵流场的非定常性,减弱了叶顶低频压力脉动的幅值,抑制了叶轮流道内和进口处的不稳定流动所引发的压力脉动。