高速離心泵的內(nèi)部流動(dòng)及模態(tài)分析.pdf

1、隨著科技和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，高速離心泵的轉(zhuǎn)速越來越高，功率越來越大。然而，在轉(zhuǎn)速提高的過程中也帶來了一系列的問題，研究者們發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)發(fā)生劇烈的振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)加速零件的磨損，導(dǎo)致效率和使用壽命的降低，泄露的發(fā)生，噪聲的產(chǎn)生。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，軸等零部件的破壞造成不可估量的事故。因此，設(shè)計(jì)者們對高速泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高，如何降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)已成為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域迫切需要解決的問題之一。引起高速離心泵振動(dòng)的原

2、因很多，其中一種是由于流體作用力導(dǎo)致葉輪發(fā)生偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，即“渦動(dòng)”引起的高速離心泵的振動(dòng)。本文通過數(shù)值模擬的方法來分析高速離心泵渦動(dòng)下的內(nèi)部流動(dòng)狀況以及內(nèi)部流體作用力的分布，接著分析了流體作用力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變以及臨界轉(zhuǎn)速和固有振型的影響。本文的主要研究內(nèi)容及研究成果如下:
　　1.總結(jié)了國內(nèi)外轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀。闡述了高速離心泵發(fā)展歷程以及振動(dòng)產(chǎn)生的原因。提出了研究高速離心泵振動(dòng)的必要性以及方法。其次采用公式推導(dǎo)的方法來描述轉(zhuǎn)

3、軸發(fā)生渦動(dòng)的原因，推導(dǎo)出發(fā)生渦動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)圓盤中心的渦動(dòng)軌跡方程，并給出了6個(gè)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系數(shù)的表達(dá)式。推導(dǎo)了葉輪轉(zhuǎn)子渦動(dòng)下的臨界轉(zhuǎn)速和振幅的表達(dá)式。
　　2.通過給定一系列轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)出高速離心泵渦動(dòng)下的研究方案。采用ANSYS CFX軟件對由三種流量，四種偏心距以及六種渦動(dòng)頻率比組成的不同方案下高速離心泵的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了渦動(dòng)比、流量和偏心距對高速泵內(nèi)部流場的影響。得出的主要結(jié)論如下:
　　(1)當(dāng)ω/Ω接

4、近零時(shí)，葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)的壓力值最小、低壓區(qū)面積最小。旋渦的個(gè)數(shù)最少，旋渦區(qū)的流速最低。當(dāng)ω/Ω越大或越小時(shí)，則情況相反。渦動(dòng)比為正時(shí)流道內(nèi)的旋渦數(shù)少于渦動(dòng)比為負(fù)時(shí)的個(gè)數(shù)，正渦動(dòng)比能改善高速泵內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，負(fù)渦動(dòng)比對高速泵內(nèi)部流動(dòng)具有一定的阻礙作用。
　　(2)隨著流量的增大，高速泵葉輪流道內(nèi)的旋渦個(gè)數(shù)逐漸減小，旋渦低壓區(qū)面積減小，二次回流得到改善。同一流量下，隨著偏心距的增大葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)面積逐漸增大，壓力梯度逐漸增大;隨著偏

5、心距的增大旋渦的個(gè)數(shù)增加、旋渦面積增大、動(dòng)能耗散增加，偏心距對于高速泵的內(nèi)部流動(dòng)有一定的阻礙作用。
　　(3)高速離心泵內(nèi)部的渦動(dòng)特性主要受切向力Ft的影響。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近時(shí)，切向分力Ft數(shù)值較小且較穩(wěn)定。在大流量工況下，F(xiàn)t和ω/Ω之間滿足一定的二次函數(shù)關(guān)系，可采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。當(dāng)切向力Ft與渦動(dòng)速度ω方向相同時(shí)，會(huì)使渦動(dòng)不穩(wěn)定并降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的渦動(dòng)速度。反之，會(huì)提高渦動(dòng)穩(wěn)定性。
　　3.將定常模擬的結(jié)果作為單向流固