分流葉片對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性的影響.pdf

1、低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵一般指比轉(zhuǎn)數(shù)ns=30~80的離心泵，具有流量小、揚(yáng)程高的特點(diǎn)。效率偏低、內(nèi)部流動(dòng)易失穩(wěn)、運(yùn)行不穩(wěn)定是低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵最突出的問(wèn)題。其中，運(yùn)行穩(wěn)定性是泵安全使用的前提，而泵運(yùn)行不穩(wěn)定是由其內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定引起的，包括流動(dòng)結(jié)構(gòu)和能量結(jié)構(gòu)變化等因素的影響。因此，研究離心泵的穩(wěn)定性需要分析其內(nèi)部流動(dòng)特性，進(jìn)而分析導(dǎo)致離心泵運(yùn)行不穩(wěn)定的內(nèi)在機(jī)理。同時(shí)，采用分流葉片設(shè)計(jì)法已成為改善低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的重要途徑。為分析添加分流葉片對(duì)低

2、比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵性能和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響，本文以有/無(wú)分流葉片兩種方案為研究對(duì)象，其中兩種方案分別為4+4方案和6方案。
　　目前，試驗(yàn)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)是分析低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性的兩種主要方法。因此，本文采用試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵有/無(wú)分流葉片兩種方案的內(nèi)部流動(dòng)特性及其對(duì)泵性能的影響進(jìn)行分析，以揭示分流葉片對(duì)內(nèi)部流動(dòng)影響的內(nèi)在機(jī)理，為完善分流葉片設(shè)計(jì)法和提高低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵性能提供理論基礎(chǔ)。

3、　　本文主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)為：
　　1.采用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)兩種方案在不同工況、不同相位下葉輪流道內(nèi)的速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，分析內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，以揭示內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)離心泵性能的影響。同時(shí)，分析分流葉片對(duì)泵性能曲線和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明：4+4方案各流量點(diǎn)的揚(yáng)程均高于6方案，且6方案的駝峰現(xiàn)象比4+4方案嚴(yán)重。兩種方案葉輪流道內(nèi)的絕對(duì)速度隨流量變化不大，4+4方案流道內(nèi)的絕對(duì)速度比6方案稍大，但6方案

4、的速度分布比4+4方案均勻。在設(shè)計(jì)工況下，兩種方案的相對(duì)速度分布基本沿葉片型線流動(dòng)；在大流量工況下，由于隔舌對(duì)流體的堵塞會(huì)導(dǎo)致流體在4+4方案流道中間和6方案流道出口積聚，形成高速區(qū)；而在小流量工況下，4+4方案葉輪流道內(nèi)的相對(duì)速度分布比6方案均勻，且低速區(qū)面積較小，速度梯度小，說(shuō)明6方案在小流量工況下更易失穩(wěn)，從而產(chǎn)生流動(dòng)分離、回流、漩渦等不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其性能曲線更易出現(xiàn)駝峰；同時(shí)，分流葉片可抑制葉輪流道內(nèi)尾流的發(fā)展，從而改善葉

5、輪出口處的“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)。在小流量工況下隔舌對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的影響最大，在設(shè)計(jì)工況下隔舌對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的影響最小。
　　2.對(duì)不同工況下兩種方案的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析流體在進(jìn)水段、葉輪和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)特性，并利用速度螺旋度表示流體在蝸殼內(nèi)的二次流強(qiáng)度，以揭示小流量工況下性能曲線形成駝峰的內(nèi)在原因及分流葉片對(duì)駝峰現(xiàn)象的影響。同時(shí)，首次對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行能量梯度分析，并與其內(nèi)部壓力分布和湍動(dòng)能分布進(jìn)行對(duì)比，以發(fā)現(xiàn)表征內(nèi)部不穩(wěn)

6、定流動(dòng)的最佳參數(shù)。研究結(jié)果表明：兩種方案在小流量工況下均存在不同程度的駝峰，且6方案的駝峰現(xiàn)象比4+4方案嚴(yán)重，駝峰現(xiàn)象的產(chǎn)生原因主要有三個(gè)方面：（1）在小流量工況下，兩種方案葉輪進(jìn)口會(huì)出現(xiàn)回流且會(huì)逆著主流方向回流至進(jìn)水段，造成流道堵塞，由于進(jìn)口回流存在圓周方向的速度分量，根據(jù)泵基本方程可知，該流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)使泵揚(yáng)程下降。（2）在小流量工況下，6方案中靠近隔舌的葉輪流道內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)方向相反的進(jìn)、出口漩渦且在流道內(nèi)不斷發(fā)展甚至?xí)氯麄€(gè)流道，從

7、而降低流道的過(guò)流能力，使得在葉片進(jìn)口區(qū)域存在大面積回流區(qū)，導(dǎo)致泵揚(yáng)程下降。但4+4方案由于分流葉片對(duì)進(jìn)、出口漩渦發(fā)展具有一定的限制作用，從而保證流道具有一定的過(guò)流能力，使得揚(yáng)程下降幅度減小，即駝峰現(xiàn)象減輕。（3）在小流量工況下，蝸殼截面內(nèi)的反向?qū)ΨQ漩渦不再對(duì)稱且其中一側(cè)漩渦的發(fā)展占主導(dǎo)地位。在6方案中，另一側(cè)漩渦不斷被擠壓至葉輪出口處，從而影響葉輪做功能力和蝸殼的能量轉(zhuǎn)換能力，導(dǎo)致泵揚(yáng)程下降；但在4+4方案中，另一側(cè)漩渦在蝸殼截面內(nèi)仍占

8、據(jù)一定的范圍，能力損失減小。同時(shí)，隨著流量的減小，泵內(nèi)部壓力梯度、湍動(dòng)能和能量梯度均逐漸增大，說(shuō)明流動(dòng)易失穩(wěn)，從而誘發(fā)駝峰現(xiàn)象；對(duì)比內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)的不同表征參數(shù)可知，能量梯度對(duì)內(nèi)部失穩(wěn)區(qū)域的表征更全面、明顯。
　　3.對(duì)比分析兩種方案的扭矩、徑向力、周向壓力分布、葉輪內(nèi)的非定常流動(dòng)及隔舌區(qū)域的脈動(dòng)特性，以揭示分流葉片對(duì)內(nèi)部非定常流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明：兩種方案在小流量工況下扭矩隨時(shí)間呈類似正弦曲線波動(dòng)且脈動(dòng)最大；在設(shè)計(jì)工況和

9、大流量工況下由于葉輪內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定使得扭矩脈動(dòng)較小，但在大流量工況扭矩的變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)工況和小流量工況相反，呈類似余弦曲線變化。在不同工況下4+4方案的徑向力及其脈動(dòng)幅值均比6方案大，說(shuō)明添加分流葉片使得葉片與隔舌的動(dòng)靜干涉作用增強(qiáng)，水力不平衡性增加。兩種方案葉輪出口周向壓力分布在設(shè)計(jì)工況下比較均勻，但在非設(shè)計(jì)工況下脈動(dòng)明顯增大，且在大流量工況下的變化趨勢(shì)與小流量工況相反；壓力分布波動(dòng)數(shù)與葉片數(shù)有關(guān)，4+4方案周向壓力脈動(dòng)比6方案