开槽叶片提高低比转速离心泵性能的研究

摘要

在人类的生产和生活中，离心泵随处可见，但是低比转速离心泵的效率很低，而且随着叶轮进口压力的降低，离心泵会发生汽蚀，致使扬程大幅度降低，离心泵将无法工作，所以提高低比转速离心泵的水力性能和抗汽蚀性能，对离心泵的高效运行具有很重要的意义。 以往的研究表明：合理的开槽位置（基于流动控制思想所设计）可以减少高速压缩机的能量损失。迄今为止，离心式压缩机和风机上应用开槽技术的研究较多，应用在离心泵上的研究比较少。 本文依据国内外学者们的相关研究，运用数值模拟方法，较为深入地研究在低比转速离心泵上应用开槽技术的问题；开展了关于低比转速离心泵（开槽叶片式）内部流动的数值模拟和实验验证等工作，以探索在叶片表面开槽可以提高离心泵水力性能和抗汽蚀性能的机理，希望可以为离心泵的设计提供参考依据。本文将从下面几个方面进行研究： 1.介绍了国内外学者们关于开槽叶片在旋转机械中的应用研究现状。关于国内外学者对开槽叶片在旋转机械中的应用研究包括：研究关于在离心式压缩机盖板上进行开槽处理，表明开槽能够改善其阻流能力；应用开槽处理技术可以使叶轮尾缘流场的流动特性得到有效改善，提高流场的稳定性。 2.在分析原模型和6种开槽模型定常结果基础上，探索了开槽叶片改善叶轮流道内部的流动及改善空化性能的机理，分析在叶片开槽处的流动分离对叶轮内部的压力、流场、湍动能和空泡的影响。研究发现：在叶轮半径的45%处开设1mm×1mm的矩形槽，可以提高离心泵的扬程和效率；旋涡结构得到破坏，使得位于叶片压力面前端的流体将保持原来的流动趋势，从而减小边界层分离，提高叶片压力面的载荷，有效阻止低压区域向外扩张；在空化发展的阶段，开槽后离心泵叶轮内的空泡体积明显小于原模型内的空泡体积，空化的发展得到了有效抑制。 3.为了深入研究开槽叶片提升离心泵性能的机理，对原模型和6种开槽模型进行了非定常计算，研究开槽对流场结构、空泡体积增长速度和压力脉动等瞬态特征的影响。结果表明：合适的叶片开槽，可以使叶轮内部的流动变得稳定，提高离心泵在全工况范围内的运行稳定性；提升离心泵性能的机理是开槽叶片改变了叶轮内部的速度场，使得速度场的分布变得均匀；在叶轮旋转的一个周期内，开槽模型内的空泡体积远远小于原模型内的空泡体积，这是因为开槽附近的压力相对于原模型的压力是高压，阻止了空泡的增长。 4.通过对带分流叶片的低比转速离心泵（叶片开槽）进行数值模拟结果分析，结果表明：合适的叶片开槽有利于提高离心泵的性能，为低比转速离心泵的开槽设计提供了参考。在设计带有分流叶片的低比转速离心泵时，可以在叶片上设计开槽，在叶轮半径的45%处垂直叶片开设1mm×1mm的矩形槽。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景及课题意义

1.2国内外研究现状

1.2.1低比转速离心泵的设计理论与方法

1.2.2国内研究现状

1.2.3国外研究现状

1.3论文主要研究内容及方法

第2章 离心泵的计算模型及性能分析

2.1计算模型

2.2模型网格划分

2.3叶轮强度校核

2.4湍流模型

2.5空化模型

2.6边界条件

2.7性能实验

2.8本章小结

第3章 开槽叶片流场的定常分析

3.1当开槽位置在35%时，叶轮流场的定常计算结果分析

3.1.1.开槽大小对离心泵水力性能的影响

3.1.2开槽大小对叶轮流场的分析

3.1.3开槽大小对离心泵空化性能的影响

3.2当开槽位置在45%时，叶轮流场的定常计算结果分析

3.2.1开槽大小对离心泵水力性能的影响

3.2.2开槽大小对叶轮流场的分析

3.2.3开槽大小对离心泵空化性能的影响

3.3开槽位置对叶轮流场的定常计算结果

3.3.1开槽位置对离心泵水力性能的影响

3.3.2开槽位置对叶轮流场的分析

3.3.3开槽位置对离心泵空化性能的影响

3.4本章小结

第4章 开槽叶片流场的非定常分析

4.1开槽叶片对离心泵频率特性的分析

4.1.1小流量工况

4.1.2额定流量工况

4.1.3大流量工况

4.2开槽叶片内瞬态速度分布的影响

4.2.1.小流量工况

4.2.2 额定流量工况

4.2.3大流量工况

4.3开槽叶片对空泡体积及其增长速度的影响

4.4本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文及科研成果