低比轉(zhuǎn)速離心泵空化流動控制的研究.pdf

1、本課題的資助項目有：國家自然科學(xué)基金重點項目（51239005）、江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項目（CXLX13_662：基于PIV的射流自吸式離心泵射流器內(nèi)部流動測試及性能改善）、江蘇大學(xué)科研立項（11A005：基于大渦模擬的射流式離心泵內(nèi)部流動特性和壓力脈動的分析）。
　　低比轉(zhuǎn)速離心泵是一種特殊的離心泵，通常比轉(zhuǎn)速在30~80之間，具有高揚程、小流量、葉輪外徑大、效率較低等特點。當(dāng)葉輪進(jìn)口處的壓力降低到飽和蒸氣壓時葉片吸力面

2、上就會發(fā)生空化，引發(fā)一系列的流動變化；內(nèi)部變化如非定常湍流脈動加劇、空泡的產(chǎn)生與破滅造成液體可壓縮性、葉片載荷的劇烈變化等；外部變化如泵揚程的突降、效率下降、運行過程中噪聲增大、管路振動等。
　　本文以NACA0012翼型和不同形式的低比轉(zhuǎn)速離心泵為研究對象，采用理論分析、試驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，針對NACA0012翼型、普通離心泵、低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵、低比轉(zhuǎn)速不銹鋼沖壓焊接離心泵的設(shè)計方法、空泡流變化、揚程下降、葉片載荷變

3、化等內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)研究，并逐一分析空化流動控制的方案。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果有：
　　（1）對比分析了Kunz空化模型和改進(jìn)的Kubota空化模型對NACA0012翼型的空化求解的適用性，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的Kubota空化模型求解的流場更接近于真實流動，為低比轉(zhuǎn)速離心泵的空化求解提供了一種可供選擇的空化模型，基于改進(jìn)的Kubota空化模型和頭部開縫控制技術(shù)針對NACA0012翼型的空化流動進(jìn)行了控制，給出了攻角3°、5°、7°和空化數(shù)0.7

4、和0.8典型的6個工況下的空化流動；在小攻角流動中，翼型頭部開縫有助于抑制空化的發(fā)生，通過引入高壓流體到吸力面可以改善空化流動，流線緊貼翼型表面，未發(fā)生流動分離；在大攻角流動中，開縫的翼型空化流動極其復(fù)雜，高壓流體無法對空泡進(jìn)行有效約束；
　?。?）針對比轉(zhuǎn)速為93的懸臂式（端吸）直聯(lián)泵，采用改進(jìn)的Kubota空化模型和修正的湍流模型數(shù)值求解了離心泵的空化流動，探索了空泡演變過程、空泡結(jié)構(gòu)和空泡類型，類比了高速攝影得到的空泡流型，

5、提出了5種不同形式的空化過程。結(jié)果表明葉片進(jìn)口壓力降低后首先在葉片吸力面頭部形成附著空化，隨著壓力的近一步降低，空泡會向葉輪前蓋板位置移動，并附著在前蓋板上對液流造成阻塞，設(shè)計工況下初生空化數(shù)和嚴(yán)重空化數(shù)相差一個數(shù)量級，空泡在子午面上首先出現(xiàn)在后蓋板處，而后附著在前蓋板靠近葉輪出口位置；離心泵大流量下空化使得外特性突降和飛機穿越結(jié)冰區(qū)升力下降的原因類似，都是因為葉片型線發(fā)生了改變引起的。
　?。?）針對低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵和普通低比轉(zhuǎn)

6、速離心泵的異同點，推導(dǎo)了理論上的揚程和流量、流量和功率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析了葉輪的水力設(shè)計，比較了低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵和低比轉(zhuǎn)速離心泵的關(guān)系，二者相同點是在大流量工況下?lián)P程、效率和功率均突然下降，在葉輪出口位置均有非常明顯的液流尾跡，造成了很大的流動損失；不同點在流量的變化對于揚程影響，低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵可以改善小流量超壓的問題；基于偏置短葉片理論對低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵葉輪進(jìn)行了一次改型，成功控制了葉片出口位置的壓力和速度分布，當(dāng)偏置短葉片伸進(jìn)葉

7、輪軸向旋渦區(qū)可以明顯地提高低比轉(zhuǎn)速恒揚程的揚程和效率；基于長短葉片理論和貝塞爾曲線控制設(shè)計葉輪方法對葉輪進(jìn)行二次改型，發(fā)現(xiàn)采用長短葉片和的葉輪揚程普遍高于只有長葉片的葉輪，設(shè)計工況下采用貝塞爾曲線設(shè)計的葉輪效率高于原葉輪；
　?。?）為確定不同形式的開縫對低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵的影響，采用NACA0012翼型引射流技術(shù)對其進(jìn)行了6種開縫設(shè)計，采用RNG k-ε湍流模型和改進(jìn)的Kubota空化模型對其空化流動進(jìn)行了數(shù)值求解。結(jié)果表明：在大

8、流量工況下運行時，低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵外特性突降的原因在于葉片發(fā)生空化后附著空化造成的，改變了葉片型線，堵住了整個流道，造成了葉片做功能力逐步喪失；選擇合理的開縫寬度和角度，可以使葉輪流道內(nèi)的流動更加均勻，湍流減小，提高泵的效率，還可以改善低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵的空化性能，延緩空化的發(fā)生，降低泵的必需空化余量。
　　（5）在低比轉(zhuǎn)速恒揚程泵空化流動控制的基礎(chǔ)上分析了一款比轉(zhuǎn)速為33低比轉(zhuǎn)速離心泵的空化流動，并對其葉片頭部進(jìn)行開縫設(shè)計。結(jié)果表

9、明：針對低比轉(zhuǎn)速離心泵的數(shù)值預(yù)測的效率值比試驗值高3％左右，預(yù)測的必需空化余量為1.847m，試驗值為1.81m，誤差2.04%；當(dāng)空化余量NPSH=3.064m初生空化時，未開縫葉輪的每一個葉片吸力面頭部均出現(xiàn)了空泡，開縫葉輪只是在部分葉片頭部出現(xiàn)了空化；當(dāng)空化余量NPSH=1.226m、0.919m時，為完全空化和斷裂空化，開縫對葉輪空化的控制不明顯，空泡完全占據(jù)了整個葉輪區(qū)域。
　?。?）以基于5次Hermite插值函數(shù)的不

10、銹鋼沖壓焊接低比轉(zhuǎn)速離心泵CP220A為研究對象，分析了空化特性，并將頭部開縫技術(shù)在CP220A中進(jìn)行了應(yīng)用，給出了不銹鋼沖壓焊接葉輪工藝流程。研究表明，對于低比轉(zhuǎn)速不銹鋼沖壓焊接離心泵的空化流動求解準(zhǔn)確可靠，該型泵在葉片壓力面上存在明顯的無空化區(qū)域，尤其在設(shè)計工況靠后時此現(xiàn)象尤為明顯；縫隙的寬度影響泵的最大流量點，縫隙為1mm的3＃泵和4＃泵、1.5mm的2＃泵具有較寬的高效區(qū)；合理的開縫可以拓寬泵的運行高效區(qū)，采用沖壓焊接技術(shù)可以制