（流体机械及工程专业论文）双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析.pdf

江 苏大荦硕 士 学位论 文 摘要 本文在国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理 ( 编号：5 0 9 7 9 0 3 4 ) 和国家自然科学基金“带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动 特性研究 ( 编号：5 1 0 0 9 0 7 2 ) 的资助下开展工作。 螺旋离心泵是一种特殊的无堵塞泵，具有良好的吸入性、无堵塞性及抗汽蚀 性等优点，其核心部件为半开式螺旋型叶轮。这种泵叶片数少，叶片薄而且表面 积大。螺旋离心泵运行过程中，在流场内复杂的水力激励作用下，叶轮会发生变 形及振动，变形后的叶轮又会引起流场分布的变化。为研究流体与结构相互作用 下的复杂特性，本文建立了螺旋离心泵双向流固耦合计算模型，使用a n s y sc f x 及a n s y sw 6 r k b e n c h 进行了两场交替联合求解，分析了考虑流固耦合作用下流 场和结构场的瞬态变化规律。主要研究工作和创新点有： 1 总结了螺旋离心泵在水力设计、实验和数值研究等方面的国内外研究现 状；阐述了流固耦合方法在螺旋离心泵研究中的应用前景；提出了将螺旋离心泵 用于高速泵领域的思路：讨论了本研究所涉及的流固耦合力学的问题，以及流固 耦合问题的求解方法。 2 采用p r o e 4 0 软件建立了螺旋离心泵三维模型，对内部流道实体模型进行 网格划分。应用c f d 软件a n s y sc f x ，采用r n g 加湍流模型，以清水为介质， 在五个工况下进行螺旋离心泵内部流动的数值模拟。通过与已有试验数据的对比， 验证了计算模型的可靠性，并对泵内三维流场特性和流动现象进行了分析。 3 为分析模型泵内部流动水力激励特性，在定常计算的基础上，采用n s 方 程和标准s s t 缸s 湍流模型对其内部流场进行了多工况全流场的非定常数值计算。 在叶轮与蜗壳耦合面上以及泵进出口处设置了7 个监测点，计算得出了各监测点 的压力脉动时域及频谱特性。结果表明，轴频和叶频是流道内压力脉动的主频； 叶轮与蜗壳耦合处以及隔舌处的压力脉动主频为轴频，进出口压力波动主频接近 叶频；进口脉动幅值相对出口及泵内脉动幅值很小，高频成分也相对较少；同一 监测点在不同流量下主频相同，但主频振幅各不相同，设计流量下的主频振幅最 小，小流量下的主频振幅最大：叶轮与蜗壳耦合面上的监测点，在距离隔舌越远 处，其压力脉动强度越低。 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 4 为研究螺旋离心泵叶轮与转轴工作时的振动特性，建立了模型泵转子部 分的三维有限元模型。结合泵腔内流场压力分布信息，对转子进行了有预应力的 静力学分析和模态分析，获得了转子对载荷的响应信息、固有频率和对应的振型。 结果表明，其强度满足设计要求，应力最大点位于叶片根部及轴肩处；转子为刚 性，但转子的前两阶固有频率与泵内部压力脉动主频比较接近，这说明转子的设 计不尽合理，运转时产生共振的可能性较大。因此需要对螺旋离心泵转子结构进 行优化设计，可通过更改轴承位置、重新设计轴向和径向尺寸以及更换轴的材料 来实现。从而改变转子的固有频率，使固有频率能够避开泵内流动的激励频率， 避免发生共振。 5 对螺旋离心泵的内部流场和叶轮转子振动结构进行了伺步交替求解的流 固耦合计算。通过将流固耦合前后的流场结果对比分析发现：考虑流固耦合作用 后，泵进口处的压力脉动加剧，出口压力脉动强度降低，进出口脉动频率不变， 但相位有改变；速度分布趋势相同，但在小流量工况下差别较明显，同时在叶片 与隔舌处于相干位置时，隔舌附近流动也受到明显影响；径向力大小随时间变化 规律一致，但波动范围减小：考虑流固耦合作用后叶轮流道内流动更加不对称。 通过对所得的叶轮转子变形、振动速度及加速度特性进行对比分析可知：转子在 运行过程中存在弯曲、扭转及拉伸变形，其中扭转变形量较明显；叶轮质心径向 位移变化与泵内压力脉动有相同的主频率；在非设计工况下，转子结构变形量相 对较大，振动幅度也较大，设计工况下，变形与波动相对较小：转子在各工况下 均未发生共振现象。 搠：螺旋商l 源，流固耦合，流激振动，压力脉动，模态分析 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sp a r to f t h ep r q e c t s m e c h a n i s mo fv i b r a t i o n 柚dn o i i i l d u c c db y i n t e m a l u n s t c a d yn o wi i lc e n t r i f u g a lp u m p s s u p p o n e db ym en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef b u n d a t i o no fc h i n a( g r a n tn o 5 0 9 7 9 0 3 4 ) a n d“a c t i v en o w - i n d u c e d v i b r a t i o n 跚p p r e s s i o nf o rc e n t r i f u g a lp 岫p sb ys e t t i n gs p i i t t e rb l a d e s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef b u n d a t i o no fc h i n a ( g 砌tn o 5 1 0 0 9 0 7 2 ) s c r e wt y p ec c n t r i f u g a lp u m pi sal 【i n do fs p e c i f i cn o n c l o g 百n gp u m p ，w i t hs o m e o b v i o u sm e r i t s ，s u c h 硒e x c e l l e n ts u c t i o nb e h a v i o u r ，n o n - d o g 酉n 舀a n t i - c a v i t a t i 0 璐 柚d 伽r 1 1 l ec o r ec o m p o n e n to ft h ep u m pi sa m i o p e ns p i r a li n l p e l l e r 锄df l e 、e r b l a d e sa r eu s e dt h a no r d i n a r yc e n t r i f u g a lp u m p t h eb l a d e sa r et h i n 觚dh a v el a r g e s u a c ea r e a ，t h e r e f o r e ，t h es t n l c t u r eh 舔m eb e h a v i o 坞s p e c i a l w h e nt h ep u m pi s m 衄i n g ，d e f b 锄a t i o n 柚dv i b r a t i o nw i l lb eg e n e r a t e d i i l h p e l l e ru n d e rc o m p l e x h y d r a u l i ce x c i t a t i o n m e a i l w h i l e ，t h ei m 圮rn o wf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ep u m pw i l lb e 缸弛c t e db yc h a n g e ds t n l c t u 佗i no r d e rt 0i n v e s t i g a t et h eb e h a v i o r0 fi 皿e rn u i d 粕d r o t o rr e s p o n 靶sw h e nr u i d - s t r u c t u 舱i i l t e r a c t i o ni s c 0 璐i d e r e d ，ac o m b i n e df s i c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h es c r e wt y p eo e n t r i f u g a lp 啪pw 髂e s 油l i s h e d a n s y sc f x 卸da n s y sw o r k b e n c hw e 陀u s e df o r 附o - w a y u p l 岖s i i i i u l a t i o 璐，柚dt h e nt h e t m s i e n tr c s p o n so fn o wf i e l d 柚ds t n l c t u r cw e 锄a l y z e d t h em a i nw o r k 锄d a c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf 0 l l o w s ： 1 r e s e a r c hs t a t u s e so fs c 佗wc e n t r i f u g a lp u m p 、耽坨s u m m a r 娩e d ，i n c l u d i n g h y d r a u l i cd e s i 印，e x p e r i r n e n t a lr c s e a r c h 觚dn u m e r i c a ls t u d ye ta 1 p r o s p e c t sa b o u t u s i n gf l u i d s t 门比t u r ei n t e r a c t i o nm e t h o di n t 0s t u d yo fs c r e wc e n t r i f u g a lp u m pw e 坨 i n t r o d u c c d 1 d e 嬲a b o u ta p p l i c a t i o no fs c r e wc e n t r i f u g a lp u m pi i l h i g l l - s p e e dp u m p f i l e dw e r ee x p o u n d e d h u i d 柚ds t m c t u 佗i n t e r a c t i o np r o b l e m si i lt h i sr e a r c hw e 坞 d i s c u s s e d ，柚d l v i n gm e t h o d st 0f s ip r o b i e mo fs c r e wc e n t r i f u g a lp u m pw e 陀a l s o s t a t e d 2 t 1 l et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so ft h es c r e w c e n t r i f u g a lp u m pw e 陀e s t a b l i s h e d b yp 呦，e 4 o r u i dm e s ho fn o wc h 锄e lw 勰g e n e r a t e d u s i n gc f ds o 脚a 陀a n s y s c f x ，s t e a d yn u i df i e l d i nt h es c 他wc e n t r i f u g a ip u m pw a ss i m u l a t e du n d e r5 i 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 c 0 n d i t i o 璐u s i n gr n g 缸8t u r b u l e n tm o d e b yc 0 忸p a r 吨m ep r e d i c t e dp e d o 皿趾c e d a t ew i t ht e s t e dr e s u l t ，m ec a l c i l l a t i o nm o d e lw 弱v e r i f i e d c h 撒c t e r i s t i c0 f3 - dn o w f i e l d 柚dn o w p h e n o m e n ai nt l l ep 眦p 、e r ea l s o 加a l y z e d 3 i no r d e rt 0 锄a l y z et h ei l u l e rn o wp r e 添u r en u c t i l a t i o nc h a r a c t c r i s t i c si l l s c r e wt y p ec e n t r i f u g a lp u m p s ，t h r e e d 谕e n s i o n a lu n s t e a d yf l o wf i e l do ft h ep u m pw 蕊 s 洫u l a t e dn u m e r i c a l l yu n d e rs e v e r a lo p e f a t i i l gc 0 n d i t i o n s ，b a s e do nn a v i e 卜s t o k e s e q u a t i o n s 锄ds h e a rs 恤s st r a n 哪r t ( s s dt u r b u l e n tm o d e l s s e v e nm o i l i t o rp o i n t s w e r e ta tt l 圮i n l p e l l e r - v o l u t ec o u p l i n gi 1 1 t e r f a c e ，i i l l e t 柚d0 u e ts e c t i o n s0 fm e p u m p t l h ep r e s s u r en u c t l i a t i o na n dt h eo o n i e s p o n d i n g 丘e q u e n c ys p e c n 姗a t d i f i b r e n t m o l l i t o rp o i n t sw e r eo b t a i n e d 劬mt h es i m u l a t i o n t ks i l n u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ei i l l p e l l e rb l a d ep a s s i n gf r e q u e n c y 柚di i i l p e l l e rr o t a t i 伽a l 饥q u e n c yw e 佗t h e d o m i n a n t f i i e q u 明c y a td i f ! i i e r e n t p o s i t i o n s ， t h ed o m i i l a n t 仃e q u e n c y a tt l i e i n l p e l l e r - v o l u t ec o u p l i n g i i l t e 血c e w 弱n e a n ye q u a l t 0t l l e i m p e l l e r r o t a t i o n a l 仃e q u e n c y ，柚dt h a ta tt h ei i l l e t 趾d0 u t l e tf a c ew e r e 鹏a d ye q u a l t 0t h ei m p e l l e rb l a d e p a s s i i l gf 诧q u e n c y t h e 锄p l i t u d e so ft h ep r e s s u r en u c t u a t i o na tt h ei i l i e t 柚do u e t w e r el o w e rt h a nt h a ta tt h e 蛔p e l l e 卜v o l u t ec o u p l i n gi n t e 血c e ，卸dt h eh i g l l - 讹q u e n c y 0 0 m p o n e n t sa tt h ei n l e ta n do u e tw e r ef b w e rt l l 雒t h a ta tt h ei i l l p e u e r - v o l u t ec o u p l i n g i n t e r f a o e t h ed o m i n 锄t 丘e q u e n c ya tt h es 锄em o n i t o rp o i n tw 雒c o n s t 柚tb u tw i t h d i f f b r e n t 锄p l i t i l d ea td i f ! f e f e n to p e m t i n gc o n d i t i o 璐，t h ep 陀s s u r cn u c t i l a t i o na tt l l e c o u p l i n gi i l t e 江c e h a dal o w e rs t r e n g t 量la tt i l ep o s i t i o nw h e 他f ur t ：h e ra w a y 仃o mt h e v 0 l u t et o n g u e 4 1 no r d e rt 0m e s t i g a t em ev i b r a t i o nc h 啪c t e r i s t 瓶o fi m p e l l e r 锄ds h 世o n 恤刁2 0 0 - 2 5t ) r p es c r e wo e n t r i f u g a lp 岫p ，让愀- d i m e 璐i o n a lf e mm o d e lo f 恤血e r n o wf i e l dw 硒e s t a b l i s h e d 觚ds 蛔u l a t e dn 哪e r i c a l l y 1 1 l ec h 狮幽e r i s t i co fs t a t i c s t r e 豁d i s p l a c e m e n t 锄dm o d 甜i t y 、e r es i i u l a t e dm 蚰e r i c a u ya c c o r d i n gt 0t h en o w f k l dp r e 鼹u 陀d i s t r i b u t i o ni i lp u m pc h 锄b e 璐t h ef 0 皿e r6o r d e rn a t u r a l 白e q u e n c i e s 柚dv i b m t i o nm o d e so fr o t o rs y s t e mw e 陀锄a l y z e d i ts h o w e dt h a t ：t h es 眦n g t ho ft h e m t o rf u l l y 蚰t i s 匆d e s i g 皿r e q u i i m e n t t h em 觚i m 岫s n 鹃l o t e da tt h eb l a d eh u b 柚ds h o u l d e ro ft h es h a f i 【t h em t o rw 勰r i 酉d ，b u ti t sm t a t i 伽s p e 列w 弱n o t 陀a n a b l e t kb l a d ep 弱s i n g 岫u e n c yo fi m p e l l e rw 弱d o t 0t h e 衄m r a l i v n e q u e n c yo fr o t o rs y s t e m t l l l e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oo p t i r i l i z es t 九l c t u r eo ft h es c 陀w c e n t r i f u g a lp u m pr o t o r b yc h a n g i n gp o s i t i o no fb e a r i n g s ，陀d e s i 伊i n g 双i a l 锄dr a d i a l s i z e so fs h a f to rr e p l a c i n gc e n a i l lm a t c r i a l s t l l l u s ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h er o t o r c o u l db ec h a n g e d ，锄dt h em t u r a l 舭q u e n c yc o u l db ea w a yf o mn o wi l l d u c e d 丘e q u e n c yi i lt h ep u m p 5 t l l l ef s ic a l c u l a t i o nm o d e io fb o t hi 曲e rn o w 柚dv i b r a t i n gr o t o rs t m c t i l r e u s i i 喀s y n c h r o n o u sa l t e m a t i n gm e t h o dw 弱e s t a b l i s h e df o rs i l n u l a t i o no ft h es c r e w t y p e n t r i f u g a lp u m p t l l er e s u l t s ，0 b t a i n e db yc o m p a 曲gn o wf i e l d sc a l c i i l a t e dw i t h 柚dw i m o u tf s im e t h o d ，s h o w e dt h a tw i t l lt h ee f 艳c to ff s i ，p r e s s u r en u c t u a t i o ni n p u m pi i l l e ti 1 1 t e n s i f i e d w h i l en u c t i l a t i o ns t r e n g ：t ha t o u t l e td e c r e a s e d d o m i n 加t n e q u e n c yo fp r e s s u r ef l u c t l i a t i o n i i li i l l e t 绷d0 u t l e td i dn o tc h a i l g e ；，b u tt l l ep h a p o s i t i o nw 弱d i f 艳r e n ta f t e rf s ic a l c u l a t i o n n ei n n e rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ss a t i s 匆t h e s 锄ec h a 豫c t e r i s t i c ，b u tt h e r ew e 陀t h el a r g e s td i f ! f e r e n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs m a h n o w 豫t c n en o wf i e l dn e 盯v o l u t ct o n g i i ea f f e c t c d b yf s im o s t0 b v i o u s l yw h e n b l a d e sa r ep 弱s i n gb yt h et o n g u e ；m a g n i t u d e so fr a d i a lt r u s tc h a n 西n gw i t ht i i l l eh a v e s i l l l i l 盯f e g u l a r i t i e s ，b u tt t l en u c t l l a t i o nr 卸g cr e d u c e dw i t l lf s im e t h o d h o wf i e l di n i m p e l l e rw 勰m o 他d i s s y 删m e t r i c a i u n d e rt l i ee 彘c to ff s i i n a d d i t i o n ，t h e d e f 0 咖a t i o n ，v e l o c i t y 觚da c c e l e r a t i o nd i s t 曲u t i o ni nr o t o rs y s t e ms i i i l u l a t c d b yf s i m e t l l o dw e 坞a n a l y z e d t l h er e s u l t si i l d i c a t e dt l l a t ，t h e r ew e r eb e n d i n gd e f l e c t i o n ， t e n s i o n a ld e n e c t i o n 锄ds n e t c h i n gd e f l e c t i o ne x i s tw h e nt h er o t o ri 1 1 o p e r a t i o n ，卸d t e n s i o n a ld e n e c t i o nw 瑟t h el a r g e s t r a d i a ld i s p l a c c m e n t0 fi f t i p e l l e rc e n t r o i dh 舔t h e s i i i l i l a rd o m i n a n t6 e q u e n c yw i t hp r e s 跚r en u c t u a t i o ni nn o wp a s s a g e0 ft h ep u m p d e f j 姗a t i o na n dv i b r a t i o na m p l i t u d eo ft h er o t o ra r er e l a t i v e i yi a r g eu n d e ro f f - d e s i g n c 0 n d i t i o n s ，锄dr e l a t i v e l ys m a l lu n d e rd e s i 印c 0 n d i t i o n r e s 伽锄c ep h e n o m e n o nd i d n o th a p p e nu n d e ra n yc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s c r e wc e n t r i f u g a lp u m p ；n o w - i i l d u c e dv i b r a t i o n ；f l u i d 锄ds t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ；p r e s s u r en u c t u a t i o n ；m o d e ia n a l y s i s v 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 叶片出口宽度 蜗壳进口宽度 直径 叶轮出口直径 蜗壳基圆直径 弹性模量 固有频率 频率 作用力 重力加速度 扬程，高度 湍流强度 湍动能 叶轮轴向长度 转矩 转速 临界转速 比转速 轴功率 流量 时间步长 时间 叶片数 符号表 矗| 子 m m n m r m i n r m i n l 【w m 3 h s s 泵效率 水力效率 机械效率 容积效率 密度 角速度 临界角速度 泊松比 湍动能耗散率 叶片厚度 叶片包角 间隙距离 下标： 1 ：叶轮进口 2 ：叶轮出口 d ：设计值 m 双：最大值 m i i l ：最小值 注：其他符号见文中说明 蔷| 0 皿n n 皿 蚵詈 腓 班 皿 ； k & 函 弘 m m m m m m h 乜 乜 n 孑 m 衄 吼 姗 眦 咖 n 心 m 符 岵 b 眈 巩 现 晟 瓜 八 凡 毋 胁 觑 厶 胁 n 取 a g 址 如 衣 江 苏 大 学 硕 士 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代，瑞士人m a n i ns t h a l e ( 马丁史泰勒) 发明了带有螺旋型叶轮的螺旋离 心泵，并将其用于港口的活鱼输送【1 】。由于它能够平稳可靠地运转，且其效率普遍高于旋流 式杂质泵以及离心式杂质泵。到2 0 世纪8 0 年代初，已有两千多台螺旋离心泵在世界各大渔 港的输送系统中投入使用【2 1 。 螺旋离心泵的基本结构如图1 1 所示。在运行过程中，叶轮螺旋部分起到了容积泵的作用， 将吸入壳体中的物料沿轴向推进至离心部分，再通过离心部分排出。因此，它将螺杆泵与离 心泵的优点融合在一起，充分发挥了两者的优势【3 1 。早期国内引进此泵之后，主要应用于造 纸、化工和捕捞行业等场合。随着无堵塞泵理论研究的逐渐深入，螺旋离心泵的应用领域也 得到了逐步拓展，现已被推广应到蔬菜瓜果和中低浓度纸浆等介质的输送【3 4 】。此外，螺旋离 心泵在航空航天领域也有应用，可用于输送燃油等高密度油料。 1 进口端2 叶轮3 出口端4 媚壳 5 轴6 吸入室7 叶片螺旋段8 叶片离心段 图1 1 螺旋离心泵结构 螺旋离心泵最主要部件是其叶轮，最常见的有单叶片和双叶片两种形式，如图1 2 所示。 由于其叶轮具有特殊的螺旋型结构，流道宽广且过渡平滑，能够利用螺旋推进的原理柔和地 ： 输送介质。因此，螺旋离心泵在输送含有大块固体和长纤维的高浓度液体时，对物料的破坏 性小1 5 】，不易发生纠缠、堵塞现象，同时还具有平坦的功率曲线，能够长时间平稳运行，一 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 般无过载问题。概括地讲，螺旋离心泵具有结构简单、高效、无损性好、汽蚀性能好、无堵 塞等诸多优点【昏7 】。 ( a ) 单叶片( b ) 舣叫片 图1 2 典型螺旋离心泵叶轮结构形式 然而，目f ；i 螺旋离心泵的设计、加工成型方法还比较落后，其运行特性研究还有很多不 足，远不及普通离心泵水平成熟，水泵领域的很多研究方法在螺旋离心泵的研究中还很少涉 及。同时也有很多因素制约了螺旋离心泵的使用和推广，仍存在如动平衡特性差，水力设计 不够完善、制造工艺不够成熟、内部流动研究不足等问题。 1 2 螺旋离心泵研究现状 1 2 1 水力设计研究 螺旋离心泵水力设计的关键在于其核心部件叶轮的设计，其设计方法大多依靠经验与总 结。国外研究始于2 0 世纪6 0 年代，开发出的产品己较成熟。国内此类泵的研究起步较晚， 始与2 0 世纪9 0 年代，目前也总结出了相对可靠的水力设计方法。 朱荣生等分析了单叶片及双叶片螺旋离心泵叶轮的结构特点，以多年的研究成果为依据， 归纳统计出一套经验公式，用于确定叶轮的主要几何参数，所开发出的螺旋离心泵产品效率 已达到6 9 的较理想水平【8 1 为弥补螺旋离心泵理论上的不足和水力设计方法上的欠缺，何希 杰、劳学苏研究了流体质点在螺旋形叶片压力面和吸力面上的运动轨迹，推导出质点螺旋运 动的曲线方程；选用对数螺旋线作为叶片型线，给出了叶片空问曲面方程和具体的水力设计 方法【9 1 。 单叶片螺旋离心泵叶片对液流约束力有限，叶轮出口存在严重的回流现象，很难实现机 2 江 苏 大 学 硕 士 学位论文 械平衡和水力平衡。曹卫东等针对这些问题对单螺旋叶轮结构做了改进，提出在叶轮上添加 分流叶片的改进方案( 分流叶片结构如图1 3 所示) ，给出了单叶片叶轮几何参数选取的经 验公式和分流叶片的设计方案【1 0 1 。 图l - 3 半开式叶轮添加分流叶片 为研究螺旋离心泵叶轮螺旋段和离心段的作用，李仁年等把去掉叶片离心段的叶轮和完 整的叶轮作为分析对象，经过数值模拟得到了相同工况下的内部流场。通过捕捉到的流动现 象验证了叶片做功主要由螺旋段产生，离心段则对进口旋涡和出口回流有一定影响，并提出 了设计螺旋形叶轮的参考建议【1 1 】。李仁年、韩伟等人对螺旋离心泵各性能参数间的相互关系 了进行了公式推导，提出了对外特性及振动性能有影响的几个因素。认为在螺旋离心泵的设 计中，为满足不同场合的使用要求，应以提高螺旋离心泵系统的输送效率和稳定性为出发点， 全面考虑各种因素的影响【1 2 1 6 1 。为了得到叶轮中的各参数对螺旋离心泵性能的影响，t a t e b a y a s h i 等将9 0 组叶轮的数据作为参照，建立了数种螺旋离心泵叶轮形状与性能的联系，并把 这些联系与“斯潘捷诺夫 叶轮设计理论结合起来，建立了一套螺旋形叶轮的设计方法，最 后通过数值模拟验证了此方法的实效性【1 7 1 。 近年来，国内外相关学者对螺旋离心泵参数与性能之间的关系进行了诸多统计与归纳， 总结出的一些经验公式可指导螺旋型叶轮的设计。今后的研究可以将基于这些经验，进一步 优化参数，开发出性能更优的产品，积累优秀的水力模型，更好地满足不同的要求。 1 2 2 转子平衡特性研究 螺旋离心泵叶片型线为圆锥螺旋线，叶轮结构不对称，制造加工和运行时很难保证叶轮 的平衡品质。这导致泵在运行过程中产生较强烈的振动，可能对泵及系统产生破坏性的影响。 3 双叶片螺旋离，心泵内部流动与转予两场耦合分析 相关学者在工程应用中总结出了用三维q 心软件解决动平衡问题的方法。陈向群等借助三维 设计软件s o l i dw o r b 的质心捕捉功能，优化了螺旋离心式叶轮动平衡特性，相比2 d 软件设计 得到了更高的平衡等级，在螺旋叶轮的加工中取得了很好的实际效果1 1 8 】。凌勇坚等在三维 c a d 软件中，根据力学平衡原理调整螺旋型叶轮的三维模型，以此加工出的叶轮铸件动平衡 特性更优，减少了去重量，在降低了制作成本的同时，较好地解决了螺旋离心式泵叶轮动平 衡的问题【1 9 删。高小芬等讨论了螺旋型叶轮的加工工艺、夹具及工装设计对叶轮精度的影响， 从机械加工的角度，确定了螺旋型叶轮的加工工艺、校正平衡的方法及加工中应注意的问题 【2 1 1 。王家斌等介绍了提高螺旋离心式叶轮静平衡特性的测绘方法，在实际应用中，产品使用 寿命达到进口叶轮水平，提高了运行效益【2 2 1 。 由于螺旋型叶片的制造加工困难，现有的加工方法难以保证精度，而三维c a d 软件精度 高，但其设计与优化过程在加工中还不能完全实现。因此，针对动平衡问题，开发新的加工 成型方法对螺旋离心泵的推广和降低成本有很重要的意义。 1 2 3 内部流动规律的试验与数值研究 螺旋离心泵工作介质多样，多为两相或多相流体，内部流动规律也很复杂。掌握其内部 流动以及流场分布对螺旋离心泵的合理设计、提高性能、减轻磨蚀有重要的意义。目前国内 对螺旋离心泵内部流动的研究主要集中在颗粒运动及分布规律的研究上：以两相流或多相流 为介质，通过数值模拟与实验来获得各相的流动分布规律，并结合传统的设计方法对泵的结 构进行优化，达到提高性能，减轻磨损等目的。 4 图1 _ 4 螺旋离心泵叶轮锥面上的流谱照片 婆莶 大学硕士 学位论文 早期，研究螺旋离心泵内部流动的手段比较单一，通常是通过试验测量外特性和对流场 的观测得出结论。如郭乃龙、关醒凡等对螺旋离心泵叶轮轮毂、叶片及吸水室的部分端面做 了油膜、油点试验，得到了近壁面流动的分布规律，如图1 4 所示。通过分析流谱，揭示了表 面奇点、分离线与再附着线等流动特征，研究了螺旋离心泵内部流动规律，并提出了螺旋离 心泵结构改进的设想【瑚。 李仁年等进行了螺旋离心泵能量及汽蚀性能的试验，结果表明：相比其它杂质泵，螺旋 离心泵的能量及汽蚀性能更好【2 4 1 。朱荣生等通过改变螺旋离心泵吸入螺旋体部位的间隙，研 究了间隙对小流量下“z ”形q 坍曲线( 如图1 5 所示) 的影响。并从减小间隙内汽蚀现象出发， 给出了间隙范围【2 5 1 。韦章兵等为了研究多相流对杂质泵性能的影响，以含气、液、固介质的 浆料为试验介质建立了开式试验台，提出了抽送多相介质情况下压力和流量的测量方法。为 测量泥浆泵抽送不同介质时的能量及汽蚀性能，建立了相应的测量系统，并对含气率产生的 影响作了分析1 2 6 j 。 川m ) 图1 5 不同i 司隙f 螺旋禹心泵性能曲线 近十几年来，数值计算方法在水力机械内部流场研究的应用取得了重大的突破，在离心 泵内部流动的研究中大量应用了c f d 数值模拟技术。泵内部流动的数值模拟技术也经历了由 无粘到粘性，由二维、准三维到全三维流动，由单相到两相甚至多相的发展过程【2 7 。柳。数值 模拟研究配合外特性试验及内部流动观测试验的研究成果，对于泵水力模型的优化起到了很 大的促进作用。 李仁年、董素玲等运用c f d 软件，模拟了不同间隙下螺旋离心泵的内部流动特征，预测 其能量特性，并在开式试验台上改变叶片外缘与壳体之间的间隙，进行性能试验，并与数值 s 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 计算结果比较，给出了间隙的合理范围【孙3 1 1 。丁思云等分别模拟了同一台螺旋离心泵使用单 叶片和双叶片情况下的内部流场，研究了叶片数对其内部流动产生的影响。比较二者的特性 曲线发现：双叶片螺旋离心泵的最高效率点偏向小流量方向。王秋红等分别采用一阶和二 阶迎风的离散方法对单体叶轮流道和全流道两种计算域进行计算，分析了不同的数值方法和 计算区域对计算结果的影响【3 3 】。刘建华等分析了螺旋离心泵发生汽蚀的条件和过程，并由经 验计算公式计算出汽蚀余量值，且进行了试验验证；采用n u e n t 模拟了螺旋离心泵发生汽蚀的 过程，找到了流道内容易发生汽蚀的位置，分析了这些位置易发生汽蚀的原因，并认为螺旋 型叶轮具有优良的抗汽蚀性能和多级泵加能的作用【弘3 5 1 。y o u t e a k 鼬n 等以气液两相流为介 质，研究了间隙大小对螺旋离心泵性能的影响，以及气液两相的流动方式和静压分布对泵性 能的影响f 螂7 】。 1 2 4 磨蚀机理研究 与普通杂质泵相同，螺旋离心泵在运行过程中的磨损较普通离心泵也更为严重，磨损也 是影响杂质泵使用寿命的关键因素之一。杂质泵磨蚀机理方面的研究主要集中在材料的磨蚀 特性和经验公式的总结。国外较早开始研究杂质泵磨损的问题，曾开展过很多基础性的理论 分析和试验研究。 一一 日本学者y o s 1 w a i 等人以1 3 种不同材料的衬套为模型，在不同条件下进行耐磨蚀特性 试验，研究了材料在不同颗粒直径及冲角条件下的磨蚀特性，并总结出一套经验公式【蚓。c r a i g i w a l k e 等在试验中研究了杂质泵在使用不同型式衬套条件下的磨损情况，总结出了磨蚀损失 与主要参数关系的经验公式【3 9 】。高良润等研究了水力机械的磨蚀机理，并以减少磨损为出发 点，介绍了用于水力机械的耐磨蚀材料，以及堆焊、热喷涂和表面强化等新技术所采用的涂 敷材料l 加】。 杂质泵设计时通常可将各参数经过修正后转化为相当的清水泵各设计参数，再按清水泵 的设计方法进行设计。曾慧兰等给出了杂质泵主要设计参数修正的经验公式，介绍了水力设 计时需要考虑磨蚀影响的参数【4 1 】。杜贵荣等认为，按两相流理论设计的杂质泵，其流道与实 际情况符下的流态更加吻合，含沙水的流动也更稳定，可以明显降低磨损量。基于对我国多 个泥沙河流泵站进行大量调查研究，提出了泥浆泵的综合防护对策【4 2 】。韩伟等采用c f d 方法 模拟了含沙水在螺旋离心泵内的流动特点，对比不同中值粒径和体积浓度时的内部流场，研 究了沙粒直径和浓度对计算结果的影响，得到了固相颗粒在流场中的分布规律，并预测了过 6 江 苏大学硕 士 学位论 文 流部件较容易发生磨损的区域，为叶轮耐磨性能的改善提供了参考【4 3 1 。 相关成果对螺旋离心泵的设计、选型与运行具有重要的实际意义，但还需要投入更多的 研究。实际上，磨损和空蚀作用往往同时存在，并与外界环境一起，共同对杂质泵造成破坏， 这方面的研究成果还有不足【棚。因此，今后有关螺旋离心泵磨蚀的研究重点将放在以下几个 方面：在数值计算方面，主要是建立科学的磨蚀模型，以求对过流部件进行磨蚀预测；实验 研究方面，将从宏观转向微观手段，建立和完善针对螺旋离心泵的磨蚀机理和更接近实际运 行情况的磨损模型；设计方面，通过积累过流部件磨蚀的经验数据，建立螺旋离心泵磨蚀的 数据库并总结磨蚀规律，为其抗磨蚀设计和研究提供可靠的依据。 1 3 螺旋离心泵的发展前景 1 3 1 现代流动显示技术的应用 数值模拟的结果最终要与试验结果相比较，才能检验数值计算方法的正确与否。近年来， 随着计算机技术、激光电子技术和芯片技术的飞速发展，流动测试技术也有了质的飞跃。p s p 、 p i v 和高速摄影技术等先进的流动显示技术获得了世界范围内的普遍认可，在水泵领域的研究 中也逐渐得到应用【4 5 蛔。 相比传统的离心泵内部流动研究方法，新的流动显示技术具有高精度、快响应、非接触 的优势，在将对流场的影响降到最低的情况下，既可用于低速，又可用于高速流动；既能定 性地显示流场，又能定量地测量压力、速度和温度等参数。流动显示技术的应用很好地满足 了工程的迫切需要，在水泵研究领域很有发展前途，也为螺旋离心泵内非定常复杂流动的测 试提供了先进的试验手段。 1 3 2 流固耦合力学研究方法的应用 流固耦合力学是研究固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互 作用的一门新科学。流体与固体的相互耦合作用是工程应用中常见的问题，各种流体机械的 流体弹性振动问题直接影响工程的经济性、可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏的严重后 果，造成重大损失。因此，这类问题对于工程设计具有十分重要的意义，深入研究流体与固 体的耦合现象，使这些问题的解决成为可能。 2 0 世纪9 0 年代开始，一些大型水力机械的研究用到了流固耦合技术，并在水轮机领域取 得了长足的进展。在研究大型水力机组稳定性时，运用流固耦合方法进行叶片和导叶的强度 7 双叶片螺旋离心泵内部流动与转子两场耦合分析 计算等方面