（流体机械及工程专业论文）轴流泵内部流场数值计算及实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 轴流泵作为旋转机械的一种，具有大流量、低扬程的特点，被广泛应用于农 田灌溉、市政给排水、大型调水工程、船舶推进器、船坞升降水等方面，在国民 经济各部门中占有重要地位。据不完全统计，水泵耗电量约占全国总发电量的 2 0 以上，其中轴流泵占有相当大的比例。因此，在国家自然科学基金“轴流泵 转轮和导叶非定常相干机理及其诱导压力脉动的研究( 5 1 0 7 9 0 6 3 ) 的资助下， 对轴流泵内部流场进行研究，可深入揭示其内部流动规律和瞬态物理结构场的演 化机理，从而指导设计以提高轴流泵效率，对节能减排有着重要的意义。本文的 主要工作和取得的成果如下： 1 通过查阅相关文献以及对国内外研究现状的调研，改进了传统轴流泵的 轴承布置方式，设计了叶轮与导叶间的轴向距离控制装置，采用了有机玻璃透明 外筒来代替所研究区域管道等，并最终按照相关标准搭建了满足轴流泵外特性测 试及内部流场p w 测试的试验台。 2 采用数值计算方法，通过研究不同叶顶间隙大小对轴流泵性能及内流场 的影响，发现随着叶顶间隙的增加，轴流泵性能的下降与间隙的增加程度并不成 线性关系，当叶顶间隙大小与叶轮直径比值超过1 6 7 o 时，泵性能下降幅度开始 增大；并捕捉到了不同叶顶间隙下泄漏流及泄漏涡的形态；为了保证p w 实验 用轴流泵的运行安全性，以及最大程度地保留高效轴流泵的内流特征，最终选择 叶顶间隙大小s = 2 5 。 3 采用新设计的标定方式，取得了良好的p w 实验结果，该结果表明：靠 近叶片进口边外缘处，在小流量下由于叶顶泄漏形成一个低速区域；在叶轮与导 叶之间间隙处，靠近外缘部分也存在一低速区域，并随着流量的增加该低速区域 向导叶方向移动，同时，小流量下其内部流场向外缘方向偏转；在叶轮轮毂与导 叶轮毂之间存在一个不规则旋涡区域，在小流量下该旋涡范围超出了轮毂半径， 并影响主流；在导叶出口以后的小流量下，流场向轮毂侧偏转，而大流量下则基 本与轴向平行。 4 采用高密度结构化网格，以r n gk - e 为湍流模型对p w 实验用轴流泵进 行数值计算，结果与外特性及p w 实验结果一致；对叶轮内部不同轴向高度处 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 的轴面速度沿半径方向分布规律进行研究，结果表明：叶轮进口处的轴面速度分 布较为平缓；从轴向高度3 5 处至叶轮出口，叶顶间隙对流场的影响范围逐渐减 小；在小流量下，叶轮出口轮毂处存在回流，在3 5 轴向高度处，叶顶间隙内的 轴向速度与主流方向相反，并呈现抛物线形式分布。 5 对叶轮内部不同轴向高度及导叶进口前垂直截面上的流动规律进行研 究，结果发现0 8 q 叫、1 0 q q p 。和1 2 q 咿三个工况下均不同程度的在叶轮吸力面 与轮毂交接处附近出现旋涡，随着轴向高度的增加，旋涡逐渐耗散，并在导叶进 口前消失；小流量下，从叶轮进口至导叶进口垂直截面上，外缘的速度分布先从 由外向内偏转，再变成由内向外偏转。 6 对叶顶间隙内流场进行分析发现：在小流量下叶片进口边头部处叶顶间 隙内的流动方向与主流相反，而大流量下仍然与主流方向相同；当泄漏达到一定 程度之后，在叶顶端面靠近压力面处出现一个低压旋涡区，泄漏液体在这里发生 流动分离后出现再附着现象。随着流量的增加，泄漏涡的运动轨迹与叶片弦线的 夹角变小，发生泄漏的起始位置向叶片中部移动，且泄漏涡的流速和强度减弱。 关键词：轴流泵叶顶间隙泄漏涡p i v 数值计算 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a x i a l - f l o wp u m p sh a v eb e e nw i d e l yu s e di na g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n ，w i t hah i g h f l o wr a t ea n dal o wh e a d ，u r b a nw a t e r s u p p l ya n dd r a i n a g e ，l a r g e s c a l ew a t e r d i v e r s i o np r o j e c t ，s h i pp r o p e l l e ra n dl i f t i n gw a t e ro fd o c k a c c o r d i n gt oi n c o m p l e t e s t a t i s t i c s ，m o r et h a n2 0 o f t h eg r o s sg e n e r a t i o ni sc o n s u m e db yp u m p si nc h i n a a n da x i a l - f l o wp u m p sa c c o u n tf o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d y , s u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aa b o u tr e s e a r c hi nu n s t e a d yf l o w m e c h a n i s ma n df l o w - i n d u c e dp r e s s u r ev i b r a t i o ni na x i a l f l o wp u m pi m p e l l e ra n d d i f f u s e r ( 5 1 0 7 9 0 6 3 ) ，c a nh e l pt ou n d e r s t a n di t s i n n e rf l o wm e c h a n i s ma n dt r a n s i e n t f l o wf i e l de v o l u t i o nm e c h a n i s m ，a n dt h e ng u i d et h ed e s i g no ft h ea x i a l - f l o w p u m p t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c yw h i c hh a sag r e a t s i g n i f i c a n c ef o re n e r g ys a v i n g r 1 1 l em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 田l et r a d i t i o n a lb e a r i n ga r r a n g e m e n to ft h ea x i a l f l o wp u m pw a si m p r o v e d a n dt h ec o n t r o ld e v i c ew h i c hc a l la d j u s tt h ea x i a ld i s t a n c eb e t w e e nt h ei m p e l l e ra n d d i f f u s e rw a sd e s i g n e d t h et e s t - s e c t i o np i p ew a sm a d eo fo r g a n i cg l a s si n s t e a do f t r a d i t i o n a lm a t e r i a l t h em u l t i p l e f u n c t i o na x i a l f l o wp u m pt e s t - b e dw a ss e tu pt 0 a d a p te x t e m a lc h a r a c t e r i s t i c st e s ta n dp t e s ti na c c o r d a n c ew i t hr e l e v a n ts t a n d a r d s 2 t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u t t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i nw a s m e s h e db yh e x a h e d r a ls t r u c t u r e d 鲥d s 1 ki n n e rf l o wf i e l do fa x i a l f l o wp u m p 丽m d i f f e r e n t 卸c l e a r a n c e sw a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e g r a d a t i o no fp u m pp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s eo ft h ec l e a r a n c ei s n o tl i n e a r n l e d e g r a d a t i o no fp u m pp e r f o r m a n c ee x a c e r b a t e sw h e nt h er a t i oo f 邱c l e a r a n c ea n d i m p e l l e rd i a m e t e ri so v e r1 6 7 0 t h el e a k a g ef l o wa n dl e a k a g ev o r t e xu n d e rd i f f e r e n t 卸c l e a r a n c e sw e r ec a u g h t i no r d e rt oe n s u r et h eo p e r a t i n gs a f e t yo ft h em o d e la x i a l p u m pa n dr e t a i nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ci nam a x i m u ml e v e l ，t h er a t i o n a l i t yt h a tt h et i p c l e a r a n c eo ft e s t - p u m pc h o o s i n g2 5 0w a sv a l i d a t e d 3 an o v e lc a l i b r a t i o nm e a s u r ew a se m p l o y e d ，a n dag o o ds i m u l t a n e o u se f f e c t w a so b t a i n e di np t e s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tal o w - s p e e dr e g i o ni s f o r m e dd u et ot h e 邱l e a k a g ea tt h eb l a d ei n l e tn e a rt h er i mu n d e rt h es m a l lf l o wr a t e a n o t h e rl o w - s p e e dr e g i o na l s oe x i s t si nt h eg a pb e t w e e nt h ei m p e l l e ra n dd i f f u s e r n e a rt h er i ma n di tm o v e st o w a r d st h ed i f f u s e rw i t ht h ef l o wr a t ei n c r e a s i n g n ei n n e r f l o wf i e l dd e f l e c t st o w a r d st h er i mu n d e rt h es m a l lf l o wr a t e a ni r r e g u l a rv o r t e x r e 酉o ne x i s t sb e t w e e nt h ei m p e l l e rh u b a n dt h ed i f f u s e rh u ba n dt h er e g i o ne x c e e d st h e h u br a d i u ss ot h a tt h em a i ns t r e a mi sd i s t u r b e du n d e rt h es m a l lf l o wr a t e t h ef l o w m 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 丘e l da f t e rd i f f u s e ro u t l e td e f l e c t st o w a r d st h eh u bu n d e rt h es m a l lf l o wr a t ew h e r e a si t i sb a s i c a l l ya x i a lu n d e rt h el a r g ef l o wr a t e 4 t h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n n e rf l o wf i e l do ft h ep u m pw e r en u m e r i c a l l y c a l c u l a t e du s i n gd e n s es t r u c t u r e dg r i d sa n dr n gk - t u r b u l e n c em o d e la n dt h er e s u l t s h a v eac l o s ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em e r i d i o n a l v e l o c i t ya td i f f e r e n ta x i a lh e i g h t so ft h ei m p e l l e ri n l e t i sw e l l p r o p o r t i o n e d t h e i n f l u e n c eo ft i pc l e a r a n c eo nf l o wf i e l dd e c r e a s e sg r a d u a l l yf i o m 3 5 o fa x i a lh e i g h t t oi m p e l l e ro u t l e t t h eb a c l d l o we x i s t sa tt h eh u bn e a ri m p e l l e ro u t l e t t h ea x i a l v e l o c i t yb e t w e e nt h ei m p e l l e ro u t e rs u r f a c ea n dt h er o t a t i n gc h a m b e r a t3 5 o fa x i a l h e i g h ti sc o n t r a r yt ot h em a i ns t r e a md i r e c t i o na n d d i s t r i b u t e si nt h ef o r mo fp a r a b o l a 5 t h ev o r t e xi n o r d i n a t e l yo c c u r sa tt h ej u n c t i o no ft h ei m p e l l e rs u c t i o ns u r f a c e a n dh u bu n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，0 8 q 和，1 0 q 匆，1 2 翰，a n da c c o r d i n gt ot h e s t u d yo ff l o wl a wo nt h ea x i a ls u r f a c ef r o mt h ei m p e l l e ri n l e tt od i f f u s e ri n l e t t h e v o r t e xd i s s i p a t e sg r a d u a l l yw i t ht h ea x i a lh e i g h ti n c r e a s i n ga n dd i s a p p e a r si nf r o n to f t h ed i f f u s e ri n l e t t h ev e l o c i t yn e a rt h ew a l ld e f l e c t sf r o mo u t s i d et oi n s i d ea n dt h e n f r o mi n s i d et oo u t s i d eo nt h ea x i a ls u r f a c ef r o mt h ei m p e l l e ri n l e tt ot h ed i f f u s e ri n l e t u n d e rt h es m a l lf l o wr a t e 6 a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ff l o wf i e l di nt h e 廿pc l e a r a n c e ，t h em e r i d i o n a l v e l o c i t yn e a rt h ei m p e l l e ri n l e ti sc o n t r a r yt ot h em a i ns t r e a md i r e c t i o nu n d e rt h e s m a l lf l o wr a t eb u ti ti s s t i l lt h es a m ea sm a i ns t r e a mu n d e rt h el a r g ef l o wr a t e a l o w - p r e s s u r ev o r t e xa r e aa p p e a r sa tt h eb l a d et i pn e a rt h ep r e s s u r es i d ew h e nt h e l e a k a g er e a c h e sa c e r t a i nl e v e l ，l e a d i n gt ot h el e a k a g el i q u i ds e p a r a t e sa n dr e a t t a c h e s t h ei n c l u d e da n g l eo ft h el e a k a g ev o r t e xm o t i o nt r a i la n dt h ec h o r d o f f o i ld e c r e a s e s ， t h el o c a t i o n ，w h e r et h el e a k a g eh a p p e n s ，m o v e sb a c k w a r da l o n gt h eb l a d ed i r e c t i o n a n dt h el e a k a g ev o r t e xv e l o c i t ya n di n t e n s i t yl o w e rw i t ht h ei n c r e a s i n gf l o wr a t e k e yw o r d s ：a x i a l - f l o wp u m p ，b l a d e 卸c l e a r a n c e ，卸l e a k a g ev o r t e x ，p i v , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 轴流泵作为叶轮旋转机械的一种，具有大流量、低扬程的特点，在农田灌溉、 市政给排水、大型调水工程、船舶推进器、船坞升降等方面有着广泛的应用【1 - 3 l 。 据不完全统计，水泵耗电量约占全国总发电量的2 0 以上，其中轴流泵占有相当 大的比例【4 】。因此，提高轴流泵效率对节能减排有着重要的意义。 目前实际工程应用中，轴流泵叶片的设计方法主要包括：升力设计法、圆弧 法、奇点分步法和流线法，都属于二元理论设计方法，其主要建立在以下几点简 化条件【5 ，6 1 下：( 1 ) 流体是不可压缩的理想流体；( 2 ) 圆柱层无关性假设；( 3 ) 运动为定常并且轴对称；( 4 ) 液体的绝对运动无预旋；( 5 ) 轴面速度沿半径方向 均匀分布。而实际中轴流泵内部流场属于复杂的三元非定常粘性湍流流场，运行 过程中常常伴随着冲击、二次流、旋涡等复杂的流动现象川。尤其是在轴流泵端 壁区，由于叶片外缘与转轮室之间间隙的存在，使得水流从叶片的压力面经过叶 顶间隙泄漏到吸力面，并在叶轮通道内产生泄漏涡，以及可调叶片根部与轮毂之 间间隙处存在的流动分离和回流现象，均对轴流泵的效率、运行稳定性、振动噪 声等产生重要的影响。因此，要研发出更好的轴流泵水力模型，必须要加强对其 内部三维流场的认识。 近年来，随着国民经济、实验设备、计算流体动力学( c f d ) 以及计算机硬件 等的迅速发展，为深入研究轴流泵的内部流动规律提供了基础，研究结果不仅可 以对已有设计过程中的经验、半经验公式进行验证和完善，更为今后的设计及优 化提供重要参考价值。 1 2 国内外研究现状 目前，对于轴流泵的研究主要分为以下两个方面：数值计算和实验研究。 1 2 1 数值计算 随着计算机硬件设备的提升以及商用c f d 软件的不断完善，为轴流泵的设计 及其内部流动问题的研究提供了新的途径。采用c a d c f d 系统，基于合适的湍 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 流模型来对轴流泵进行性能预测及内部流动剖析，并根据预测结果调整叶轮相关 几何参数，通过几次反复最终得到最优模型，已成为现代水力机械中一种新的研 究手段。随着湍流模型的不断完善，c f d 数值计算精度不断提高，又由于其成本 低、周期短等优势，在泵领域已经被广泛应用，如利用c f d 进行性能预轫t t j 8 9 1 、 正交优化【l o 、压力脉动研究【1 1 , 1 2 l 、动静干涉研刭1 3 1 、间隙泄漏研刭1 4 1 等等。 国外在c f d 数值计算方面起步较早，应用也相对较为成熟。b e n r a 等人【1 5 l 将非设计工况下轴流泵的非定常数值模拟与实验结果进行了对比，并通过数值计 算观测到了轴流泵内流场的变化情况。a n k o d l e v s k y 等1 1 6 】利用c f d 分析了带可 调式后导叶的轴流泵内部流动情况。z i e r k ewc ( 1 9 9 5 ) 1 1 7 】介绍了高雷诺数轴流泵 叶顶间隙的流动特性及实验技术。m i n e r 1 8 】采用粗网格对混流泵叶轮内部进行了 数值计算，计算结果表明预测趋势与实验结果相吻合。m u g g l i t l 9 】等人采用c f d 方法对后置导叶式轴流泵进行了内部流场计算，计算结果与实验结果一致。 近年来国内越来越多的学者开始采用c f d 数值计算方法对轴流泵进行了相 关研究。王正明【刎等利用数值计算方法研究了带有间隙的三维叶栅叶顶区的流 动情况，研究发现叶片当地厚度与间隙高度之比过大、过小的情形均不易形成叶 顶分离涡；孙建平、张克危等【2 1 】采用动量积分法预测轴流泵叶片边界层的发展， 预测结果和理论分析一致，并发现设计工况下叶片边界层比较薄，同时叶片旋转 使得压力面上的边界层减薄，吸力面上的边界层加厚；梁开洪、戴辰辰、杨昌明 等【2 2 创各自对带有叶顶间隙的轴流泵进行了数值模拟，捕捉到了叶顶间隙的泄 漏流动和泄漏涡，得出间隙泄露涡是由于间隙泄露流与主流发生卷吸而形成的， 并发现随着叶顶间隙的增加，扬程和效率均下降；李龙 2 5 - 2 7 1 等通过数值计算方法 研究了壁面粗糙度对轴流泵性能的影响，并对轴流泵与贯流泵进行了性能预测， 结果与实验一致；施法佳和王国玉等【2 8 捌探讨了不同数值计算模型在轴流泵c f d 分析中的适用程度；王福军、张玲等【3 0 ，3 1 l 通过不同计算模型对轴流泵内部三维非 定常湍流流场进行了数值计算，模拟了五个不同流量工况下的流场运动，把外特 性预测结果与实验对比发现大涡模拟的结果与实验结果更为接近，研究表明轴流 泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前，在叶轮进口与出口处的压力脉动从轮缘到 轮毂逐渐增大；黎耀军【3 2 l 采用多普勒测速仪对新设计的一种水翼进行扰流测试， 获得了水翼外部扰流特征，并讨论了不同湍流模型和近壁区处理方法对水翼数值 模拟的适用性，最后根据在新设计的水翼基础上进行轴流泵水力设计，并通过数 2 江苏大学硕士学位论文 值计算预测了该轴流泵的空化性能。 1 2 2 实验研究 虽然实验成本高、周期长，但实验能够直观和准确地反映出流场的真实物理 形态。目前的轴流泵设计主要依靠经验、半经验公式，进行大量的实验研究而得 到的实验数据，可以对这些经验、半经验公式进行验证、修改及完善。同时，计 算流体动力学理论的发展同样需要实验的证明。因此，实验是必不可少的。 目前，在旋转机械中应用较多的测量手段主要包括：( 1 ) 探针测量；( 2 ) 热 膜风速计( h 、胴a ) ；( 3 ) 激光测速技术( ) v ) ；( 4 ) 相位多普勒技术( p d p a ) ； ( 5 ) 粒子成像技术( p ) 。前二者属于接触式测量方式，即测量元件与被测流体 直接接触，虽然测量准确，但由于测量元件对流场产生一定程度的干扰与破坏， 因此，随着测量真实性与测量精度要求的提高，旋转机械中的测量手段逐渐向着 非接触式测量方法过渡。其中，l d v 、p d 鼢均属于非接触式测量手段。其 中，l d v 及p d p a 除了具有不干扰流场特点外，还具有分辨率高等特点，但二者均 属于单点测量，即若要获得整个测量区域的流场分布必须逐点进行测量，工作量 大、耗时长，且不能够得到整个区域瞬时流场分布。而p 测量技术完全克服以上 缺点，因此，目前在旋转机械内部流场测试领域中，p 测试手段被认为说服力较 强的测量手段。 国外将p i v 测试手段应用于旋转机械领域较早，研究也较为深入。p a o n e l 3 3 首次利用p i v 测量技术研究了离心泵叶轮s 1 流面上的流动情况，及无叶扩压器 内尾流的瞬时物理形态。p e d e r s e n l 3 4 、f e n g 3 5 】等分别利用p i v 对离心泵内部流场 进行了研究，都观察到小流量下的脱流与回流现象，并发现“双通道 现象。 d o n grp q 、o l d e n b u r g l 3 7 1 等也同样利用p 测试技术对离心泵内流场进行了研 究。s h 印h e r d 网等利用p 测量了离心泵和轴流泵的内流场，探讨了两种泵装置 流场内的旋涡机理与物理形态，并提到了采用锁相平均的方法对速度和旋涡进行 测量。m y e r s 3 9 、c h o w 和u z o l 4 0 , 4 1 】等分别利用p i v 系统对轴流式叶轮机械内部流 场进行了研究。s t i c k l a n d l 4 2 1 等利用p i v 测量了离心泵叶轮流道内的流动情况，并 对速度矢量图及云图进行了分析，同时验证了c f d 数值计算的正确性。z i e r k e l 4 3 1 对前置导叶式轴流泵内流动特性进行了实验研究，给出了导叶前后截面内及叶轮 出口截面内的速度分布等。 3 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 国内将p i v 应用于旋转机械领域较晚，但也取得一定的研究成果。邵春雷 4 4 , 4 5 1 等利用p 对半开式离心叶轮进行了测试，结果发现在小流量下压力面附近出现回 流现象等，并对实验误差进行了分析；赵斌娟 4 6 , 4 7 等对双流道泵进行了数值计算， 并将结果与p i v 实验进行了比对，结果表明数值计算与p 测试结果一致。邵杰、 吴玉林等1 4 8 , 4 9 1 对一大出口角离心泵叶轮内部流场进行了p 测量，发现在靠近叶 片压力面处存在一个“弱射流尾迹”结构。杨波【5 0 l 等对三种流量下的离心泵内 部流场进行了p 测试，讨论了相对速度在叶轮内的变化规律，并验证了轴向旋 涡的产生位置。陈松山【5 1 】等对具有长短叶片的离心泵叶轮进行了三种流量下的 p 测量，揭示了叶轮内部相对速度的分布情况。杨华【5 2 】等采用p 测试技术对 一改型后的离心泵进行了测量，结果表明了离心泵转轮内部流场的瞬态结构和非 定常性。袁寿其【5 3 1 等对带分流叶片的离心泵叶轮内部流场进行了p 测量与数值 计算，揭示了该叶轮内部多种流动现象及分流叶片对流场的改善作用。刘栋、杨 敏官等 5 4 - 5 0 1 对离心泵内伴有盐析液固两相流的情况进行了p 实验研究。万毅【5 7 1 采用p 技术对离心泵流道内和泵腔内的流场规律进行了实验研究。王凯【5 8 朋等 采用三维p i v 技术对不同工况下的双叶片离心泵内部流场进行了研究。高波【6 0 】 等对3 0 0 m w 轴流式核主泵模型的p 测量方案进行了探讨，提出解决叶片相互遮 挡及测量同步性保证的方案。上海交通大学黄欢吲6 1 彤】通过p 1 v 实验成功获得轴 流泵叶轮进口、出口以及不同叶高区域的二维速度场，并观察到叶片尾缘边的分 离流动和叶根位置的回流和旋涡结构。扬州大学汤方平、耿卫明和赵阳等 6 4 - 6 6 1 对 轴流泵叶轮出口、叶轮与导叶之间的间隙进行了3 d p i v 测量，得出了轴流泵叶轮 出口流场的三维结构和流动特征规律、以及轴流泵叶轮与后导叶轴向间隙流场的 流速分布规律。 从国内外研究现状可以看出，p 测试技术在离心泵方面的应用已经很深入， 而在轴流泵方面的应用则相对较少，且前人只是单独针对轴流泵叶轮进出口流场、 或者叶轮与导叶之间的间隙进行p i v 研究。然而，轴流泵属于动静干涉系统，叶轮 内部流场影响导叶内部流场、导叶内部流场又反作用于叶轮。因此，同时对轴流 泵叶轮进出口、叶轮与导叶之间间隙及导叶进出口进行p 测量显得尤为迫切。 1 3 本文的研究工作 在前面两节中，已经介绍了研究轴流泵内部流场的意义和背景，并通过分析 4 江苏大学硕士学位论文 国内外发展现状，在国家自然科学基金“轴流泵转轮和导叶非定常相干机理及其 诱导压力脉动的研究( 5 1 0 7 9 0 6 3 ) 的资助下，确定本文的工作主要有以下几个 方面： ( 1 ) 按照相关实验标准，搭建符合轴流泵外特性和p i v 实验要求的测试台。 ( 2 ) 采用全结构化网格，基于标准k - e 湍流模型，对叶轮外径为3 0 0 r a m 的 原型轴流泵进行数值计算，并与外特性实验结果进行对比。通过改变转轮室外径 来改变叶顶间隙的大小，研究不同叶顶间隙对轴流泵性能和内流场的影响，最终 合理选择p i v 用实验泵的叶顶间隙大小。 ( 3 ) 按照相关实验标准，对实验泵进行外特性实验。并简要的介绍p i v 测试 技术的原理，采用合适的示踪粒子及设计合理的标定手段，对轴流泵叶轮进口、 叶轮与导叶之间间隙及导叶出口的流场在不同流量下进行二维p i v 测量，分析随 着流量变化时，该三处位置的流场结构的分布规律和演变过程。 ( 4 ) 由于实验受到限制，并不能完整的反映出轴流泵内部流动特征，因此对 实验泵进行数值计算，并将数值计算结果与外特性实验及p i v 实验结果进行对比。 在验证数值计算正确性的基础上，对轴流泵的内部流场进行深入的剖析，进一步 阐述轴流泵内部流动机理。 5 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 第二章p i v 实验用轴流泵及试验台设计 轴流泵一般包括进口喇叭管、叶轮、后置导叶、轴、出水弯管等几大部件。 对于大型泵站用轴流泵必须先进行水力模型的研究，得到满足性能要求的水力模 型后，再通过相似换算得到真机。因此，对于轴流式模型泵的研究具有非常重要 的意义。 通过在第一章中查阅的相关文献，表明国内对于轴流泵内部流场的p 测试起 步较晚，至今还没有同时测量叶轮和导叶进出口流场分布的实验研究。而轴流泵 同时包括转子和静子部件，转子与静子之间不但存在相互匹配问题，而且两者之 间的相对运动造成动静干涉，即转子在转过不同角度的时候，其与静子的相对位 置瞬间发生变化，叶轮内部的流场影响了导叶内部流场，导叶内部流场又反作用 于叶轮。所以，本文中实验的主要工作重点集中在如何同时测得同一台轴流泵转 子和静子进出口的内流场分布情况。因此，必须设计并搭建符合实验要求的测试 厶 口o 2 1 实验泵段设计 首先，考虑到p 实验中要求被测区域的透光性，需要采用有机玻璃透明材料 来代替传统材料，然而有机玻璃的强度较弱，受力过大会造成破裂，从而导致实 验失败，因此，还需要对轴流泵系统中力的承载方式进行改进；其次，为保证实 验结果的精确度，还需要采取一系列措施来减小实验中光学折射的误差；最后， 在改进的基础上完成p i v 实验用泵的总装图的绘制。综上所述，本节中将通过导叶 体设计、有机玻璃外筒设计、叶轮与导叶间的轴向距离控制装置设计、导叶内轴 承密封设计、出水弯管穿轴部分设计、泵段末端设计及总装图绘制等七个方面来 详细阐述整个泵段设计过程。 2 1 1 导叶体设计 对于一般立式轴流泵，如图2 1 所示，通常包括前后两组轴承，后轴承主要布 置在泵轴末端，轴承承载力通过支撑传递到基础上。而前轴承布置在导叶轮毂内 部，轴承承载力主要通过导叶叶片，再经导叶体外壳传递到基础上，因此导叶体 外壳受力较大。 6 江苏大学硕士学位论文 图2 1 一般立式轴流泵装置图 为了测得同一时间下叶轮进口、叶轮与导叶之间间隙、导叶出口的流场分布 情况，必须同时将导叶体外壳和叶轮转轮室的材料替换成有机玻璃透明材料，而 有机玻璃的强度相比铸铁、不锈钢等材料则显得相当脆弱，导叶传递到有机玻璃 上的力必须很小，以保证有机玻璃在泵运行过程中不至于发生破裂。 实际中几乎所有的轴流泵导叶叶片、导叶轮毂与外壳被铸造成一个整体，而 考虑到p i v 测量所需要的透明度，导叶体外壳材料将被替换为有机玻璃。因此必 须将导叶体外壳作为单独零件进行加工。另外，在不改变轴流泵中核心过流部件 ( 叶轮和导叶) 的位置及来流情况与实际应用一致的情况下，还必须将泵前端的 径向力安全传递到基础中。因此，本次设计中将前轴承向电机端移动，并在轴承 所在的垂直轴截面位置添加不锈钢筋板，筋板的头部与导叶轮毂相焊接，末端与 外部的不锈钢管焊接，以便将前轴承的承载力传递到基础上。轴、前轴承、导叶 体三者之间的相互之间的位置关系示意图如图2 2 所示，其中导叶体包括轮毂、 叶片( 7 片) 、筋板( 4 片) 及不锈钢管四部分。 图2 2 导叶体部分示意图 锈钢管 7 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 2 1 2 有机玻璃外筒设计 由于实验研究的轴流泵水力模型是经过相似换算后将叶轮外径缩小到2 0 0 衄，叶轮叶片与导叶之间的轴向间隙也相应缩小，其值约为2 0 舢 n 左右，若将导 叶段的有机玻璃和叶轮段的有机玻璃分成两个部件再通过法兰连接，将严重影响 到p 实验中相机拍摄叶轮出口和导叶进口的视角；另外，由于原本带有锥度( 即 扩散度) 的导叶体外壳在实验中进行相机拍摄时，光线必须经过多次复杂的折射， 造成实验结果误差大。因此，本试验台设计过程中将导叶体外壳换成圆柱状，即 导叶叶片的外径值沿轴向相等；最后，综合考虑到加工工艺和成本，将导叶段和 叶轮段的有机玻璃做成圆柱状整体最为合理，有机玻璃外筒与导叶体通过止口进 行对中，从而保证了同心度。 另外，由于光线进入圆柱形有机玻璃筒将在其外表面和内壁面各经历一次折 射，为减小实验误差，这里将有机玻璃筒设计成内圆外方的形状，其两端的法兰 由于方形外筒壁的影响，法兰上的螺栓孔各自与相邻的轴线之间呈2 0 0 夹角。有机 玻璃外筒的示意图如图2 3 所示。 耸广a辎 苏，。3 = 易0 ，广，7 纩嗣 a - a 图2 3 有机玻璃筒零件图 2 i 3 叶轮与导叶轴向位置可调方案设计 由于叶轮与导叶之间不仅存在相对旋转干涉，叶轮与导叶之间轴向距离的不 同也对泵性能、内部压力脉动及其诱导的振动噪声等都有重要的影响。因此，在 8 江苏大学硕士学位论文 设计本实验泵段的时候也将此考虑在内。在叶轮轮毂与轴之间增加轴套，相当于 原本用来定位叶轮轴向位置的轴肩可以通过配用不同轴向尺寸的轴套来改变，从 而达到调整叶轮与导叶之间轴向距离的目的。叶轮附近处的各部件示意图如图2 4 所示。由于工作量与时间限制的关系，本文中不研究叶轮与导叶之问轴向距离对 轴流泵的影响。 轮叶片 套 图2 4 叶轮附近装配图 2 1 4 导叶轮毂内部轴承密封设计 在导叶轮毂处的轴承代号为深沟球轴承6 2 0 7 ( g b t2 7 6 - 1 9 9 4 ) ，润滑方式为脂 润滑，在轴承两端设计了两副骨架油封。导叶轮毂内部装配情况如图2 5 所示。图 中左边的骨架油封安装在密封座里面，骨架油封与密封座之间采用过盈配合。左 端密封座与导叶轮毂采用螺纹装配，而轴承右端的骨架油封直接安装于导叶轮毂 内。 骨架油封 密封座 导叶体轮毂前轴承骨架油封 图2 5 导叶轮毂内部装配情况 2 1 5 出水弯管穿轴部分结构设计 对于9 0 。出水弯管穿轴部分，主要考虑密封问题，如图2 6 所示，右边为局部放 9 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 大图。由于p i v 实验用轴流泵扬程低，系统内压力小，因此采用骨架油封进行密封， 骨架油封被安装在出水弯管内，并被油封端盖压紧。另外，考虑到轴的轴向定位， 这里增加一个轴套，与泵段末端的轴承、轴承座、轴承压盖及圆螺母等共同完成 轴的定位。 2 1 6 泵段末端设计 图2 6 出水弯管穿轴部分装配图 泵段后轴承选取一对角接触球轴承7 3 0 7 ( g b t2 9 2 1 9 9 4 ) ，安放在轴承座内部， 轴承座通过法兰与出水弯管相互连接，轴承右端被轴承压盖压紧，左端受到轴承 座的限制，通过圆螺母的锁紧作用，轴不断向右端移动，直至轴套的左右两端分 别被轴肩和轴承顶死，最终实现轴的轴向定位。轴的末端安装联轴器，通过键实 现传动作用。如图2 7 所示。 1 0 图2 7 泵段末端装配图 江苏大学硕士学位论文 2 1 7 泵段总装图 根据以上设计思路，最终绘制总装图如图2 8 所示。 1 92 0 2 12 22 32 4 2 5 、2 歹d _ 2 7 2 8 2 93 03 1 3 2 3 3 ， 一一：= = = 一一一二 。乞靛 9l 。川靴6 1 1 、转轮室；2 、叶轮；3 ，前油封座；4 、导叶体；5 ，螺栓；6 、垫圈；7 、螺母；8 、骨架油封；9 、轴；1 0 、 出水弯管；1 1 ，轴套；1 2 、螺钉；1 3 、螺栓；1 4 、垫圈；1 5 、螺母；1 6 、止动垫圈；1 7 、圆螺母；1 8 、螺 钉：1 9 、导水锥；2 0 、螺钉；2 1 、轴套；2 2 、骨架油封；2 3 、深沟球轴承；2 4 、筋板；2 5 、骨架油封；2 6 、 油封压盖；2 7 、0 型橡胶圈；2 8 、毡圈油封；2 9 、角接触球轴承；3 0 、轴承座；3 1 、轴承压盖；3 2 、毡圈 油封；3 3 、联轴器； 图2 8 泵段总装图 2 2 闭式试验台搭建 根据已经初步设计好的实验泵段，设计了实验管路，考虑到试验台的多功能 性，将试验台设计成闭式系统。 2 2 1 压力水箱 水箱容积约为2 6 m 3 左右，如图2 9 所示。水箱顶部接有两根带法兰的细直管， 其中一根接外部进水管，方便向闭式试验台内部充水；另外一根为做汽蚀性能实 验接向真空泵。而本实验中主要用于p i v 示踪粒子的添加，主要方法为：将系统中 所有通大气的阀门关闭，打开真空泵使得系统内相对压力为负值，将系统中某一 阀门通过软管埋入装着混有示踪粒子的水桶中，打开该阀门，由于压差作用使得 混有示踪粒子的水源被吸入系统中。水箱正面上方处接有玻璃水位计，底部设有 排水孔。在两端正上方处焊接吊耳，方便安装。内部有加强筋及稳流装置，避免 1 1 轴流泵内部流场数值计算及实验研究 水流循环回到水箱后造成太大的扰动而影响泵进口流场。水箱左端靠近底部的开 孔接实验泵进口管道，右端中部开孔接泵出口管道。 接外部进水管 玻璃液位计 吊耳 水锥 接真空泵 2 2 2 系统管路布置 排水 图2 9 水箱 温 系统管路中分别布置涡轮流量计一只、闸阀两只、伸缩管一只，如图2 1 0 所 示。考虑到轴流泵属于低扬程泵，除了泵段附近以外，其余管路管径均为2 5 0 r a m ， 以减小流动速度，降低沿程损失( 即降低系统管阻) ，同时也方便以后做更大叶轮 外径的轴流泵实验。最后，在系统管路中增加辅助泵一台。整个系统材料( 除了 辅助泵以外) 均为3 0 4 不锈钢材料。 1 、轴编码器；2 、软接头；3 、电机；4 、扭矩仪；5 、实验泵段；6 ，排气孔；7 、进口测压段；8 、伸缩管； 9 、进口闸阀；1 0 、出口测压段；1 1 ，排气孔；1 2 。橡胶软接头；1 3 、辅助泵；1 4 、涡轮流量计；1 5 、出口 闸阀；1 6 、水箱 图2 1 0 实验系统管路 江