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大型双吸离心泵径向力数值计算

作　者: 张亮
导　师: 赵万勇
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 离心泵内部流场数值模拟径向力振动分析
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 199次
引　用: 4次
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内容摘要

大型单级双吸中开式离心泵使用范围较广,不论工厂、矿山、城市给水排水还是农田排灌均可使用。它与单吸泵相比,有较大的流量,较好的吸上性能。两个叶轮对称布置,可以平衡轴向力。这种泵的耐气蚀性能也比较好,但在运行中常出现一些问题,如泵轴与轴套接触表面以及轴套端面等处发生疲劳破坏,从泵启动到打开出口阀门之间密封环常发生抱轴现象,泵体密封环和叶轮密封环粘接,必须加大密封环间隙才能正常启动,而密封环间隙加大就会降低容积效率,影响泵站的经济运行。上述问题在大型泵站时有发生,困扰泵站的安全正常运行,需要从根本上加以解决。通过分析发现,目前大型离心泵发生上述问题的主要原因是单蜗壳泵在偏离设计工况和零流量下运行时形成的径向力过大所置。径向力对于转动轴是一个交变载荷,会造成泵轴的振动,增加泵的不稳定性。因此,研究离心泵径向力是非常有必要的。通过试验测定径向力的方法是最准确的方法,但大型离心泵由于受到试验条件限制,大多在使用现场进行试验或运行验证,而且需要建立一套费用昂贵的专门测试装置,这样不利于泵的改进。本文提出了数值模拟计算离心泵径向力的方法,建立了径向力的计算模型。以1200S56型泵为例,应用Fluent软件分别对单蜗壳、双蜗壳和长短叶片复合叶轮离心泵不同流量下的内部流场进行了三维稳态数值模拟,给出了叶轮出口静压和径向速度的分布规律,应用径向力计算模型,计算了以上三种结构在不同流量下的径向力。又对单蜗壳泵在0.4Qi流量下的内部流场进行了三维非稳态数值模拟,得出了径向力分量随时间周期变化的曲线,对由叶轮和泵轴组成的系统进行了振动分析。本文的主要研究成果如下:1.建立了计算离心泵径向力的数学模型。2.在小流量工况时,双蜗壳泵的径向力较小,在0.4Qi附近最小。在设计工况流量附近时,单蜗壳泵的径向力较小,在Qi时最小。在大流量工况时,长短复合叶片泵的径向力较小,在1.2Qi附近最小。3.双蜗壳泵径向力随流量变化的梯度比较小,而且低径向力区比较宽,因此,以上三种结构中,双蜗壳结构最有利于减小离心泵径向力。4.单蜗壳泵在0.4Qi流量下,径向力分量随时间周期变化的曲线分别为近似余弦、正弦曲线,系统的振动轨迹为椭圆。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-19
  1.1 研究大型离心泵径向力的意义  11
  1.2 离心泵径向力的研究  11-13
    1.2.1 实验手段  12
    1.2.2 数值模拟手段  12-13
      1.2.2.1 数值模拟研究径向力的现状  12-13
      1.2.2.2 数值模拟的准确性  13
  1.3 泵内部流动数值模拟的进展  13-17
    1.3.1 无粘性流动数值模拟  13
    1.3.2 分区考虑粘性效应的数值模拟  13-14
      1.3.2.1 势流-边界层的迭代解法  13-14
      1.3.2.2 射流-尾迹模型  14
      1.3.2.3 涡量-流函数法  14
    1.3.3 三维粘性流动数值模拟  14-15
      1.3.3.1 直接数值模拟(DNS)  14-15
      1.3.3.2 大涡模拟(LES)  15
      1.3.3.3 Reynol平均(RNS)  15
    1.3.4 湍流模式理论的研究  15-17
      1.3.4.1 紊流模型的研究  15-16
      1.3.4.2 CFD商业软件的开发与应用  16-17
  1.4 本课题的意义和所研究的主要内容  17-19
    1.4.1 本课题的意义  17
    1.4.2 本课题所研究的主要内容  17-19
第2章建立离心泵径向力计算的数学模型  19-22
  2.1 径向力计算的出口压力法  19-20
    2.1.1 模型的简化  19
    2.1.2 模型的建立  19-20
  2.2 径向力计算的直接积分法  20-22
第3章数值模拟三维模型的建立与网格的生成  22-25
  3.1 三维实体模型的建立  22
  3.2 网格的生成  22-25
    3.2.1 GAMBIT网格生成软件  23
    3.2.2 网格生成  23-24
      3.2.2.1 网格的划分  23-24
      3.2.2.2 网格质量的检查  24
    3.2.3 指定边界条件及计算区域的类型  24-25
第4章离心泵内部流场的稳态数值模拟  25-31
  4.1 准备计算网格  25-28
    4.1.1 计算网格的读入  25-26
    4.1.2 统一单位  26
    4.1.3 网格检查  26-27
    4.1.4 平滑和交换网格  27-28
  4.2 设置模型  28
    4.2.1 选择求解器  28
    4.2.2 运行环境的选择  28
  4.3 确定计算模型  28-29
  4.4 定义材料  29
  4.5 定义边界条件  29-30
  4.6 定义离散方法  30
  4.7 计算的初始化何迭代  30
  4.8 收敛判据  30
  4.9 计算结果  30-31
第5章模拟的结果分析及径向力计算  31-68
  5.1 单蜗壳离心泵模拟结果分析  31-42
    5.1.1 耦合面的压力分布与分析  31-37
    5.1.2 耦合面的速度分布与分析  37-41
    5.1.3 扬程与效率的计算  41-42
  5.2 单蜗壳离心泵径向力计算  42-44
  5.3 双蜗壳离心泵模拟结果分析  44-53
    5.3.1 耦合面的压力分布与分析  44-48
    5.3.2 耦合面的速度分布与分析  48-52
    5.3.3 扬程的计算  52-53
  5.4 双蜗壳离心泵径向力计算  53-54
  5.5 长短复合叶片离心泵模拟结果分析  54-64
    5.5.1 耦合面的压力分布与分析  54-59
    5.5.2 耦合面的速度分布与分析  59-63
    5.5.3 扬程的计算  63-64
  5.6 长短复合叶片离心泵径向力计算  64-65
  5.7 分析不同结构对离心泵径向力的影响  65-68
第6章离心泵非稳态径向力计算及振动分析  68-75
  6.1 离心泵内部流场的非稳态数值模拟  68-70
    6.1.1 滑移网格理论  68-69
    6.1.2 离心泵流场非稳态数值模拟  69-70
  6.2 模拟结果分析与径向力计算  70-72
  6.3 离心泵的振动分析  72-75
结论  75-77
  一.结论  75-76
  二.存在的问题  76
  三.展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  81

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