离心泵内部流动旋转失速特性研究

ｖａｎｅ ｉｎｌｅｔ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｒｉｍ ｅｍｅｒｇｅｄ ａ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｌｌ ｃｏｒｅ，ａｎｄ ｓｐｒｅａｄ谢ｔｌｌ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｉｍｐｅｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｓｔａｌｌ ｃｏｒｅ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｎｅ ｄｉｆｆｕｓｅｒ．Ｉｔ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｌｌ ＣＯｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｔｉ ｔｈｅ
ｂｙ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｗｏｒｋ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｍａｙ ｈｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
ｐｕｍｐ １．Ｔｗｏ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ
ｍｏｄｅｌｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｖｏｌｕｔｅ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｄｉｆｆｕｓｅｒ
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｐｒｏ／Ｅ．Ｇｒｉｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ Ｗａｓ
ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２０％ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．
Ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｗａｓ
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ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｇｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｇｒｏｏｖｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｎｅ ｃａｎ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｈｅａｄ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｇｒｏｏｖｅ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔｈａｎ ｄｏｕｂｌｅ ｇｒｏｏｖｅｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｐｅｃｉｆｉｃ＃ａｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｉｎ ｉｎｈｉｂｉｔ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐｓ ｒｏｔａｔｉｎｇ
ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｈａｐｐｅｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｉｎ
离心泵内部流动旋转失速特性研究
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｌｌｌ＂ｖｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ａｐｐｅａｒｅｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｌｏｐｅ ｗｉｔｈｉｎ ０．６Ｑｄ．０．７Ｑｄ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗａｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ
ｆｏｕｎｄ ａｔ ｐａｓｓａｇｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ａｐｐｅａｒｓ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ．
ｐｕｍｐｓ ４．Ｓｔａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔＯ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ
ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｗｉｔｈ ｇｒｏｏｖｅｓ．
Ｓｉｎｇｌｅ ｇｒｏｏｖｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｎｅ ｃａｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｍｏｖｅ ｔＯ ｐａｒｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ
ｍｔｅｍａｌ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ．Ｉｔ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｒｏｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｏｆ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ
（Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．５０９７９０３４）．
ｐｕｍｐ＇ｓ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ，
ｐｅｏｐｌｅ ｂｅｇｉｎ ｔＯ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｒｕｎｎｉｎｇ·
ｓｙｓｔｅｍｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍＰ ｓｙｓｔｅｍ，啪ｂｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｕｍｐ＇ｓ ｆｌｏｗ ｉｎ
ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒａｎｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ｍａｙ ｂｒｉｎｇ ｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔＯ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ．
Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｕｎｎｉｎｇ，ｓｏｒｔｓ ｏｆ ｕｎｓｔａｂｌｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅｓ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ
ｗｏｒｋｉｎｇ ａｔ ｐａｒｔｉａｌ ｌｏａｄ，ｗｏｕｌｄ ｏｃｃｕｒ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｗｈａｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ
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ｔａｋｅｎ ｏｕｔ ｔＯ ｄｅｃｉｄｅ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ鲥ｄｓ ｔＯ ｍａｋｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｍｏｒｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｂｌｅ．
２．Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ，ｓｔｅａｄｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｈａｍｂｅｒｓ ａｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ ０．２Ｑｄ·１．２Ｑｄ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ肝Ｑ
本文采用数值模拟的方法对离心泵内旋转失速现象进行了研究。研究工作和 主要结论有：
１．运用Ｐｍ／Ｅ软件创建离心叶轮配置单蜗壳压水室和径向导叶压水室两种 离心泵模型。对离心泵进行网格数无关性检验，确定了较合理的网格数来使计算 结果更加科学和可信。
２．应用Ｆｌｕｅｎｔ软件对两种压水室离心泵分别在０．２Ｑｄ．１．２Ｑｄ流量范围内进行 定常数值计算，研究发现导叶离心泵Ｈ－Ｑ性能曲线在０．６Ｑｄ．０．７Ｑ流量段出现了 正斜率，初步分析其原因为导叶离心泵内发生了旋转失速现象。通过定常模拟离 心泵模型内部湍流流场及相关理论，进一步探讨正斜率曲线出现的原因，认为正 斜率曲线是由于叶轮进口预旋及离心泵内旋转失速共同作用所致。
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ Ｙｏｕｎｇ Ｓｃｈｏｌａｒｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．５０８２５９０２） ａｎｄ‘‘Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｈｔｅｍａｌ Ｕｎｓｔｅａｄｙ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐｓ’’ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
摘要
本文系国家杰出青年基金项目“离心泵基础理论和节能关键技术研究”（编 号５０８２５９０２）和国家自然科学基金项目“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪 声机理＂（编号：５０９７９０３４）部分研究内容。
随着离心泵在多个领域的广泛应用，人们对其运行的安全性越来越重视。离 心泵在运行过程中，尤其在小流量工况下会产生很多不稳定现象。离心泵内旋转 失速现象的发生会使泵的外特性发生改变，产生正斜率。在发生失速的流量范围 内运行会产生振动和噪声，甚至导致系统的共振，严重影响离心泵性能。因此， 离心泵内旋转失速现象的研究在流体机械领域具有极其重要的意义。
Ⅱ
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｓ“Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｂａｓｉｃ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ
Ｅｎｅｒｇｙ－Ｓａｖｉｎｇ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐｓ’’ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ
ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｕｌｖｅ． ３．Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ ｔＯ ｇｕｉｄｅ
ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ０．７０ｄ， ｂａｃｋｆｌｏｗ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｐａｓｓａｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｖｏｒｔｉｃｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｔＯ ０．６Ｑｄ，ｔｈｅ
本学位论文属于不保密
学位论文作者签名：吾Ｉ ｌ钗
３／ｏ ｍ ３－年石月ｆ ６日
指导教师签名：
．驷ｔ伊钒毛日
离心泵内部流动旋转失速特性研究
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｓｔａｌｌ ｉｎ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐｓ
姓 ２０１２年６月
江苏大学硕士学位论文
４．提出了通过导叶开槽来抑制离心泵内旋转失速的方法。研究表明，导叶
Ｉ
离心泵内部流动旋转失速特性研究 单开槽可以使旋转失速的发生向小流量工况偏移，有效地扩大了离心泵稳定运行 的安全区间。导叶双开槽可以有效地抑制离心泵内旋转失速现象的发生，但其扬 程和效率都会相应地降低。通过比较可知，离心泵导叶单开槽时扬程和效率优于 导叶双开槽。因此在抑制离心泵内旋转失速时应根据工作需求来确定具体方案。 当需要较大的稳定运行区间时应损失部分效率而选用导叶双开槽方案，当其需要 的稳定运行区间较小而对效率要求较高时应选用导叶单开槽方案。 关键词：离心泵，旋转失速，正斜率曲线，压力脉动，数值模拟
ｐｕｍｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｉｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐｓ，ｗｈｉｃｈ ｃ姐
ｌｅａｄ ｔＯ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｌｏｐｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｇｅｎｅｒａｔｅ
Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｓｔａｌｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｃａｌｌ ｎｏｔ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ ｉｎ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，
ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔＯ ｔｈｉｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ．
ｐｕｍｐｓ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｏｐｉｃ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｔａｌｌ ｉｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ
３．运用Ｆｌｕｅｎｔ软件提供的非定常算法对径向导叶离心泵内部流动进行模拟。 研究发现，Ｏ．７Ｑｄ工况下导叶和叶轮流道内压力分布的不均匀使得导叶和叶轮流 场出现了旋涡，并且在叶轮进口出现回流现象。随着流量减小到０．６Ｑｄ工况时， 导叶进口靠近叶轮轮缘处出现了稳定的失速区，并随着圆周方向朝叶轮旋转相反 的方向传播，即导叶流道内出现了旋转失速现象。导叶进口及出口压力分布的不 均匀使得失速区沿着圆周方向传播，传播速度约为叶轮转速的２０％。通过设置压 力监测点，发现离心泵出现旋转失速现象时，流道内部出现低频压力脉动。