悬臂式多级离心泵间隙流及其动力特性研究

摘要

悬臂式多级离心泵紧凑结构，广泛地应用于军用、民用中对空间要求较为苛刻的领域。但由于叶轮转子和导叶被布置在远离轴承支撑的一侧，悬臂式多级泵转子系统在不平衡激振力作用下极易产生径向挠度，出现不稳定涡动现象。然而存在于盖板侧及口环的间隙泄漏流是重要的激励源之一，因此，间隙泄漏流动对于悬臂式多级泵的影响不容忽视，开展间隙流动状态及其动力特性的研究很有必要。本文以M220型悬臂式多级离心泵为研究对象，对其间隙流动、间隙动力特性以及间隙流对转子稳定性的影响进行了较为深入的研究，并在此基础上开展了一系列针对间隙流对转子性能影响的试验研究。
　　本研究主要内容包括：⑴基于CFX14.5对带有间隙泄漏的多级离心泵全流场进行定常计算，模拟预测值与试验值吻合较好，验证了数值模拟的准确性。分析了各工况下间隙流动对泵体内部主流场的影响，其中小流量工况下间隙流对主流静压分布、速度分布和湍动能分布的影响最为明显。⑵基于M220间隙泄漏模型构造了4种间隙流道，通过研究压力脉动的方式寻找间隙流能量分布与间隙结构的关联性。研究发现口环和级间间隙的存在增加了前后泵腔的主频幅值，带口环的前泵腔压力脉动沿间隙流道从外径向内径有所增强，带级间间隙的后泵腔压力脉动则相反。⑶基于CFD方法对悬臂式多级离心泵叶轮在不同轴向位移下泵的外特性、能量特性、前盖板侧间隙流场、间隙的压力脉动及叶轮径向力轴向力进行了研究。通过对比，发现前泵腔间隙变化对外特性和径向力影响较大，后泵腔间隙变化则对轴向力的影响最为明显。⑷建立口环盖板侧间隙流整体计算模型，基于试验结果验证了求解间隙流动力特性系数方法的准确性；采用二阶摄动方程求解得到悬臂式多级离心泵的间隙流动力特性系数，并在设计工况下将间隙流动力特性系数以矩阵的形式耦合到模化之后的悬臂式多级离心泵转子系统中，分别对不考虑和考虑间隙流下的临界转速和不平衡响应进行了对比分析，发现间隙流的存在对转子具有一定的支撑效果，提高了转子系统的稳定性。⑷为了研究间隙流对转子振动性能的影响，设计并搭建完成了悬臂式多级离心泵振动及轴心轨迹测试实验台。基于振动试验台测得了不同流量工况下泵体振动和转子系统的轴心轨迹。研究发现，悬臂式转子系统工作时存在不平衡量，且在大流量点转子系统较为稳定，在小流量点出现不对中的现象，间隙流动影响明显。该试验结论为下一步悬臂式多级离心泵优化设计提供一定的参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 悬臂式多级离心泵的内部流场分析

2.1 数值模拟理论

2.2 多级离心泵的模型及计算

2.3 定常数值模拟前处理

2.4 外特性试验及结果分析

2.5 内流特性分析

2.6 本章小节

第三章 多级离心泵间隙流动分析

3.1 间隙流道形式对泄漏流压力脉动特性的影响

3.2 泵腔轴向间隙对泵性能的影响

3.3 本章小节

第四章 间隙流动力特性研究

4.1 间隙流动力系数计算方法

4.2 间隙流动力系数求解

4.3 间隙流对转子稳定性的影响

4.4 本章小节

第五章 振动试验研究

5.1 振动测试系统

5.2 泵体振动试验结果与分析

5.3 悬臂轴轴心轨迹试验分析

5.4 本章小节

第六章总结与展望

6.1 研究总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及取得的成果