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本文在江苏省自然基金攀登项目“离心泵内部流动诱导振动噪声机理及主动控制技术研究”(编号:BK2009006)和江苏省高校自然科学研究项目“带分流叶片离心泵非定常流动特性及无过载优化模型研究”(编号:09KJB570001)的资助下开展工作。
高速离心泵的振动问题是保证其正常运转必须考虑的因素,而高速泵内部非定常流场等水力因素诱发流体压力脉动是导致泵振动的一个重要原因。通常高速泵通过加装诱导轮来提高其吸入性能,但也改变了流场和作用在叶轮上的载荷。因此分析诱导轮对高速泵流场及振动特性的影响是非常必要的。本文通过数值模拟和试验验证的方法,对带诱导轮的高速离心泵振动特性进行了初步研究。主要研究工作和创新点如下:
(1)为了选取合适的诱导轮模型,首先设计一组不同轴向长度的变螺距诱导轮,并通过数值模拟方法预测扬程系数,从中选取扬程系数最高的诱导轮。
(2)应用ANSYS CFX软件对带诱导轮和无诱导轮高速泵性能及叶轮上作用力进行数值模拟,发现加装诱导轮后,高速离心泵扬程、效率及叶轮上的作用力在小流量区域均有所增大,但不会改变高速泵扬程效率的整体变化趋势。并将无诱导轮模型泵扬程效率预测值与试验值进行比较,结果表明本文数值模拟方法是可靠的。
(3)通过对带诱导轮和无诱导轮两个模型泵出口压力脉动和瞬态叶轮径向力进行数值分析。结果表明:加装诱导轮前后,高速泵出口压力脉动及叶轮上径向力都具有明显的周期性,其脉动主频和次主频分别为转频的8倍和4倍。但加装诱导轮之后,出口压力脉动主频幅值降低,而叶轮径向力脉动主频幅值则增大。
(4)基于ANSYS Workbench平台对带诱导轮高速离心泵模型振动特性进行研究。结果表明:流体载荷对泵转子系统固有频率影响很小,其频率均大于轴频,且与流场压力脉动主频和次主频不接近,因而不会产生共振。该泵系统最大应力峰值均小于材料许用应力,不会发生破坏。诱导轮头部瞬时位移小于设计间隙,其振动主频为2倍转频。设计工况下泵转子系统两个轴承约束面的振动速度分布均衡,其振动主频为3倍转频。