离心泵进流畸变与动静干涉联合抑制水力激振研究

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离心泵广泛应用于船舶、海工、航天、化工、核电等重要领域。在实际应用过程中,受限于严苛安装环境的离心泵常配有进流弯管,弯管激励的畸变流干扰离心泵的运行,进而造成离心泵效能衰退甚至失稳;同时,蜗壳隔舌与叶片之间的动静干涉又被公认为离心泵的主要水力激励源,然而上述两个激励源在离心泵的耦合作用机理尚不明确。因此,深入探究离心泵进流弯管与蜗壳相对周向位置对泵内流动机理和水力激振的影响具有很好的实际应用价值。本文在江苏省自然科学基金(BK20190847)、中国博士后科学基金面上项目(2019M661744)的资助下,选取带进流弯管的离心式管道泵为研究对象,通过对原型泵进水弯管周向安装角度φ的调整,衍生出若干组不同φ值下的新管道泵模型,并依次进行非定常数值计算。通过对比分析新泵与原型泵的内流场及压力脉动,发现进流畸变与动静干涉存在联合抑制水力激振效应——“削峰平谷”,并进一步对此效应的产生机制进行深入探讨,主要的研究工作和内容如下:(1)基于前人对原型泵进流弯管出流畸变特性的研究,得知其叶片进口附近压力脉动曲线在时域上存在周期性的三个波峰,其中第二波峰的起因是动静干涉作用,而第一、三波峰则主要是由畸变进流所引起的。因此,本文对所研究的泵模型叶片及蜗壳附近的压力于计算过程进行监测,力求从压力脉动方面入手探究不同φ值的进流弯管对泵内产生的影响。(2)开展管道泵原模型与衍生模型的定常计算,获取不同φ值下的各模型泵内流场的定常分布情况,着重分析泵内静压、速度及湍动能等参数从叶轮进口域至蜗壳域内受畸变进流和动静干涉作用的差异,对比后主要的发现有:首先在外特性方面,进流弯管的周向安装角φ主要干扰泵做功的扬程值:当φ为正角度时,扬程随角度的增大逐渐增大,而当φ为负角度时,扬程随负角度的增大逐渐减小。其次在内流特性方面,叶轮进口域附近周向上存在一个跟随弯管转动的主畸变区,且主畸变区内始终存在两个低压涡核,是影响叶轮做功的主扰动源;各泵模型都在叶片尾缘附近存在较明显的“射流-尾迹”结构;且受畸变进流的影响在主畸变区的叶片流道内存在低速分离流动区,当φ为正角时流动分离区较小,而当φ为负角时流动分离区较大。(3)开展管道泵原模型与衍生模型的非定常计算,提取各模型泵内从叶片进口至出口及隔舌处的代表监测点上的压力脉动,通过时频域解耦发现:在φ=45°模型中,叶轮进流畸变与动静干涉因相位差调整实现压力脉动的“削峰平谷”,进而联合抑制了泵内水力激振,其叶片进口背面监测点Pb1压力脉动的第二波峰最大降幅达到40.55%。深入研究“削峰平谷”的形成机理:进流弯管导致叶轮进口始终存在低静涡核LP1和LP3组成的主畸变区,不仅随弯管的转动而转动,且会随着叶轮的旋转而反向传播至邻近叶片。因此,在泵内受动静干涉影响(高静压区)固定的情况下,通过改变进流弯管安装角来调整高/低静压区的相位差,促使畸变进流产生的低静压区逐步靠近动静干涉产生的高静压区,两者相互抵消,进而达到对压力脉动“削峰平谷”的效果。(4)在上述“消峰平谷”分析的基础上,推测当弯管安装角大于45°后可能会更好地抑制水力激振,但受限于原泵模型肘形弯管与蜗壳的固体干涉,需要将原泵中进流弯管进行适当的轴向拉伸后,构建新的0°模型泵和3组弯管安装角大于45°的新泵模型;同时开展数值计算,进一步对比分析相同监测点处的压力脉动差异,结果表明:在φ=60°的模型中,泵内叶轮中段流域Pb2处的压力脉动同样存在类似的“削峰平谷”效应,进而导致其压力脉动曲线第二波峰峰值大大降低,最大降幅达64.75%。
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