| 题名 | 基于叶片入口形状控制的离心泵汽蚀性能优化研究 |
| 作者 | 张潇飞 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 王秀勇 |
| 关键词 | 离心泵 叶轮叶片 入口形状 汽蚀性能 水力性能 优化设计 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 汽蚀能够对离心泵的水力性能、使用寿命、机械振动等产生重要的影响。为了提高离心泵的汽蚀性能,需要在水力设计过程中充分考虑叶轮几何形状的变化对汽蚀性能的影响。本文以提高叶片入口背面的压力分布为出发点来改善离心泵的汽蚀性能,在保持叶轮轴面图和叶片入口位置不变的前提下,系统地探讨了叶片入口的几何参数,即叶片入口角、叶片厚度以及叶片前缘的几何形状等因素的变化对离心泵汽蚀性能的影响,同时分析了这些因素的变化对水力性能和压力脉动特性的影响。基于雷诺时均N-S方程和RNG k-?湍流模型,本文采用ANSYS FLUENT开展研究工作,近壁面数据处理采用标准壁面函数。应用ICEM CFD对计算域进行六面体结构化网格划分,以便于有效控制近壁面网格尺度及网格数量,当网格数量在930万左右时满足网格无关性要求。数值计算精度的验证结果表明,当汽蚀模型采用Schnerr-Sauer、流动状态为非定常、近壁面网格尺度的y~+值位于40~70的区间内时,临界汽蚀余量的计算精度最高,绝对误差为-0.03m,相对误差为-1.38%。对水力性能的预测采用定常计算的方法,效率计算结果的绝对误差为0.09%,相对误差为0.11%。总体来看,本文所采用的数值计算方法具有非常高的计算精度,后面关于叶片入口几何形状的变化对泵性能影响的研究具有较高的可信度。叶片入口几何形状变化的水力设计方案为:在原模型入口角的基础上再次加大入口角,共增加两组,从前盖板开始入口角分别增加2°、1°、0.5°和3°、2°、1°,后盖板保持原入口角不变;在第二组叶片入口角的基础上,对叶片进行加厚;对原模型、第二组叶片入口角、叶片加厚三个方案的叶片前缘分别进行倒角,将叶片前缘的几何形状由圆形变为椭圆形。采用上述数值计算方法对包含原模型在内的共七组水力设计方案进行了汽蚀性能和水力性能计算,系统地研究分析了叶片入口角、叶片厚度及叶片前缘的几何形状三个因素及其组合对泵的汽蚀性能、水力性能、压力脉动特性的影响。研究结果表明:在一定的范围内增大叶片入口角,泵的效率有所降低,但汽蚀性能提高明显,压力脉动幅值也略有下降;叶片厚度增加时,泵的效率明显下降,同时汽蚀性能也有所下降,压力脉动幅值基本保持不变;对叶片前缘倒角,泵的效率有一定幅度的提升,能够对汽蚀的初生及发展产生一定的抑制作用,但是在汽蚀发展的末期能够形成回射流,导致空泡从距叶片入口边较近的位置开始脱落并迅速发展到叶轮流道内,造成汽蚀性能的下降。原模型倒角水力设计方案在汽蚀发展的整个过程中始终保持最小的压力脉动幅值,甚至在完全汽蚀阶段的压力脉动幅值有较明显的降低;而叶片加厚倒角水力设计方案在汽蚀发展的整个过程中始终保持很高的压力脉动幅值,甚至在完全汽蚀阶段的压力脉动幅值增加了3倍,主频也由叶频变为轴频,能够对机械振动产生明显的影响。叶片前缘倒角对压力脉动的影响没有明显的规律,但通过对汽蚀状态下各水力设计方案的压力脉动特性进行综合分析,可以发现只要叶片入口角合适并且对叶片前缘倒角,能够使泵的压力脉动特性得以优化。对某型号混流泵进行性能优化的工程试验结果表明,叶片入口角过大能够导致泵的水力效率和汽蚀性能都明显下降,但对叶片前缘打磨倒角之后,泵的水力效率和汽蚀性能都有了大幅度的提升,设计工况点的效率提升了7个百分点,临界汽蚀余量由倒角前的13.05m降到了倒角后的9.25m。由此可见,叶片入口的几何形状能够对泵的水力性能和汽蚀性能都产生重要影响,是水力设计环节中的一个重要影响因素,必须予以高度重视;同时也可以发现,对叶片前缘进行倒角在工程实践中具有很高的应用价值。本文的研究结论,可以为泵的水力设计和优化提供细节内容上的参考信息。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 67 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/95418]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张潇飞. 基于叶片入口形状控制的离心泵汽蚀性能优化研究[D]. 2019. |
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