叶顶间隙对潜水轴流泵压力脉动的影响研究.pdf
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1、叶顶间隙对潜水轴流泵压力脉动的影响研究郑文贤王开杰汪程鹏王生辉周 冲李嘉成(.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西 西安.自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所天津)摘 要:轴流泵的叶顶间隙泄漏是引起涡动干扰和压力脉动的关键因素不同叶顶间隙下机组受到的激振力和压力冲击差异显著 本文以 型高比转速立式潜水轴流泵为研究对象采用 湍流模型对 个不同叶顶间隙叶轮模型在设计流量工况下轴流泵三个关键部件流道内压力脉动进行计算 结果显示不考虑叶顶间隙时轴流泵内部压力脉动主要由动静干涉引起考虑叶顶间隙时泵内压力脉动受间隙泄漏的影响进水喇叭和导叶流道内呈现为低频脉动脉动幅值随着间隙的增加逐渐降低
2、叶轮流道内的受叶片扰动脉动主频为 且脉动幅值变化不明显 合适的叶顶间隙尺寸可以降低叶轮进口和导叶出口的压力脉动关键词:轴流泵 叶顶间隙 数值计算 压力脉动中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言立式潜水轴流泵是应用于农田浇灌、船坞动力推进和抽水蓄能等领域的水力设备具有操作简便、易于控制、稳定性优良等优点对国民经济的发展意义重大 叶轮是轴流泵的主要做功部件在工程实践中为了安装和运行的需要叶片轮缘顶部必须保留一定的间隙以避免摩擦而顶部间隙会形成泄漏流其产生的间隙泄漏涡和间隙分离涡会加剧压力脉动、噪声及机组震动并且相同间隙尺寸的叶轮在不同工况下的运行会产生不同的激振作用 因此分析轴流泵在不同
3、间隙尺寸下叶轮区域内的压力脉动特征有助于优化泵的水力学设计提升泵运行的安全性在研究轴流泵的叶顶间隙影响方面各研究者都从不同的角度和方面出发探寻叶顶间隙大小对压力脉动特性的影响规律 等采用小型轴流泵进行实验研究发现较大的叶顶间隙会显著增加泵的总压力和压力脉动 等关注径向间隙的变化对螺旋式泵涡轮压力脉动的影响发现径向间隙增加会加剧紊流和涡旋脱落从而导致压力脉动增加 在实验和数值模拟的结合研究中 等发现间隙增加会加剧压力脉动和降低泵的性能因此提出了通过减小间隙尺寸的方法来降低压力脉动的建议 各研究者从不同的角度分析研究提供了有益的建议和指导对进一步改进轴流泵的设计和优化具有积极作用轴流泵内部流动情况
4、非常复杂多种因素对其产生重要影响 目前已有研究针对不同工况、不同导叶相对距离以及不同湍流模型等因素进行了讨论但是轴流泵叶顶间隙对内部流场压力脉动运动的影响仍有待深入研究且对轴流泵流道内压力脉动的特性研究较少 几何模型和网格划分.几何模型本文旨在研究 型高比转速立式潜水轴流泵的内部流动特性 该型泵广泛应用于农田灌溉排水和中小型泵站其转轮直径为 转轮叶片数为 固定导叶数为 该泵的额定转速为/设计扬程为.额定质量流量为/比转速为 所研究的模型泵整体流道包括进水管、进水喇叭、叶轮域、导叶域以及出水管这 个过流部位 图 为轴流泵泵段三维结构示意图9;:图 轴流泵三维结构示意图.网格划分对于各类流体计算的
5、工程仿真软件而言网格质量对于保证流体计算的准确性和计算精度至关重要 为确保计算结果的可靠性本文选取了质量较好、计算速度较快的六面体网格 同时在叶轮与导叶附近的边界层网格上进行了局部加密以更精确地捕捉近壁面的流动特性保证模拟计算的准确性对于叶轮和导叶这类周期性旋转流体域的网格划分本文采用了 工具 可以根据旋转机械的结构形状选择适合的拓扑方法以获得更高质量的六面体网格并保证网格适用性足够广 同时工具可以对流体域划分边界层以更精确地捕捉近壁面的流动特性 此外本文考虑了叶顶间隙对轴流泵内部流动特性的影响通过 建立了叶片与机匣顶部的间隙模型 图 为叶轮域和导叶域的网格划分结果图 整体流道网格作为数值模拟
6、的基础网格质量是决定模拟计算结果精确性的关键因素本文采用网格无关性检验方法在分析.设计流量工况下的计算结果来确定最终的网格密度 为保证计算结果的准确性计算了 个不同密度下的整体流道网格节点数为 万、万、万、万、万、万为满足网格无关性检测的要求叶轮处的近壁区域满足 根据设计工况下效率和扬程的变化情况为节省计算资源最终数值分析的网格节点数定为 万 完成离心泵其他过流部件的网格布置文献为本文的设计方案和网格无关性检测提供参照的方法和标准 数值设定与计算设置.数值设定考虑到本文计算模型的结构复杂性采用 湍流模型进行数值计算此模型通过对非线性项进行修正提高了模型的精度和适用性 为确保计算的收敛性定常计算
7、采用轴流泵入口界面作为入口边界质量流量()为进口边界条件平均静压()为出口边界条件 在各个计算域中采用无滑移壁面并设置为无滑移边界条件以提高计算精度性能曲线的精度选择 叶轮设置为旋转域其他域均设置为静止域旋转方向与轴流泵工况一致 该数值模型中存在两组交界面其中进水喇叭与叶轮、叶轮和导叶的交接面均采用静态和动态交接设置为 连接 流体介质为 的水收敛残差()定义为 叶轮旋转一周所用时间.故模拟计算所用的时间步 .整个流道的计算域的设置如图 所示019;:(737*(*1;图 数值计算模型.压力脉动监测点采用坐标定义方法在轴流泵流道中添加监测点 单个旋转域流道内设置一组监测点 个流道(进水喇叭、叶轮
8、、导叶)的.面位置各设置了 组监测点 在进水喇叭管内沿着流体流动方向设置了 个监测点(命名为)在叶轮和导叶流道内沿着流体流动方向和叶片及导叶高度方向分别布置了 个监测点(命名为 和)这些监测点的分布如图 所示其中重力方向为 轴正向BC;9:JHJHJHJH JH JHSHHHHHHHHHHSSSSSSSSS图 流道内压力脉动监测点分布示意图 计算结果与分析.进水喇叭内的压力脉动()进水喇叭流道内的压力脉动时域分析轴流泵的进水喇叭域中转轮轮毂锥头用于分流进入喇叭口的流体以减小水流互相干扰并将分流后的流体沿轮毂和泵壳进入叶轮域 图 为.设计流量工况下进水喇叭内测点压力脉动时域图 轴表示时间步长 轴
9、为压力 轴为各测点设置 从图()可见当不考虑叶顶间隙时进水喇叭内的压力脉动呈现出明显的周期性 个测点在一个周期内的压力脉动频率等于叶片通过频率证实了进水喇叭口的周期性压力脉动是叶片扰动引起的 当考虑叶顶间隙时从图()图()可见进水喇叭内 个测点都没有明显的周期性且各测点的压力脉动情况不显著说明添加叶顶间隙可以有效降低进水喇叭流道内的压力脉动JHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHBNNCNNDNNENNFNNGNN1f1B1f1B1f1BUTJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJHJH1f1B1f1BUTUTUTUTUT?图 进水喇叭内压力脉动时域图随着轴流
10、泵叶顶间隙值的增大进水喇叭内各测点的压力值也增大 在叶顶间隙值达到 时靠近叶轮进口的 测点压力值比不考虑叶顶间隙时高出了 高压区的流体流向压力较低的进水喇叭区域导致进水喇叭内压力值随着叶顶间隙值的增加而升高 叶顶间隙越大间隙泄露越严重进水喇叭流道内的压力值也越高()进水喇叭流道内的压力脉动频域分析图 为不同叶顶间隙值下进水喇叭流道内各测点的压力脉动频域图 结果显示所有测点都呈现出低频压力脉动而脉动频率主要集中在.之间 在不考虑叶顶间隙的情况下进水喇叭流道内靠近叶轮的 个测点、的主频为 表明进水喇叭流道的压力脉动主要受叶片通过频率的影响而其余两个测点的主频为.次主频为 当考虑叶顶间隙时分析图()
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