偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南昌大学 作者:周林玉

  为分析偏离工况下离心泵压力脉动和振动情况,本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动,并对其进行了频域分析。分析结果表明:离心泵内部流动产生的压力脉动主频多数情况下是其通过频率。在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值均最大,大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为只是脉动幅值略有增大;小流量偏离工况下,离心泵叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域) 压力脉动幅值有所增大,脉动主频不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;当离心泵运行工况小于0.6Q 时,压力脉动明显比设计工况剧烈。

  1、前言

  目前,高速和高载荷泵的市场需求很大,对其性能有了更高的要求。泵的振动问题已经成为一个非常重要的设计因素,因为良好的振动特性可以提高运行的稳定性和防止其高周期性的疲劳破坏。离心泵的振动主要分为机械振动和水力振动。机械振动是由转子系的不平衡、轴承的磨损以及机械结构的刚度不足等因素引起; 水力振动是由叶轮- 蜗壳的动静干涉作用引起的压力脉动、非设计工况下的不稳定流动及空化等引起,其中压力脉动是主要因素,已成为国内外研究的热点。

  国内外关于离心泵的压力脉动主要是从数值计算方法和试验测试方法两方面展开研究。在数值计算方面,主要是通过频谱分析方法研究压力脉动与动静部件相互干涉的关系及分析压力脉动对泵性能的影响。在试验测试方面,主要集中在用压力脉动测量试验论证叶轮和蜗壳间的不稳定压力场,及压力场与噪声产生机理的关系。由于水力波动引起离心泵振动主要是叶轮与蜗壳动静干涉处的压力脉动和叶轮内部的压力脉动,前者会加强泵体的振动,后者会引起轴的周期性振动。所以要提高流体机械在运行过程中稳定性,对上述2 种压力脉动的研究就尤为必要。

  目前,采用试验手段监测泵内( 特别是转动的叶片上) 压力脉动通常比较困难,且成本过高。故本文采用大涡模拟和滑移网格技术研究一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动特性,并对其进行频域分析,为研究和分析泵在偏离工况下运行时水力波动引起泵体的振动情况提供依据。

  2、离心泵几何模型

  本文以一离心泵作为研究对象,泵的主要几何尺寸及额定工况参数如下:叶轮直径D =240mm,叶片数z = 6,设计流量Q = 160m3/h,扬程H = 15m,转速n = 1450r/min。全流道计算域模型如图1 所示,计算域由4 个部分组成,分别是进口延伸段、叶轮、蜗壳和出口延伸段。

全流道计算域模型

图1 全流道计算域模型

  为有效分析叶轮与蜗壳动静部件干涉引起的压力脉动和叶轮内部的压力脉动,如图2 所示在叶轮和蜗壳之间轴向设置4 个监测点,其中R1监测点设置在蜗壳隔舌处。叶轮内部监测点设置在叶片表面附近区域,沿着叶片曲线方向分别设置4 个监测点。

压力监测点布置

图2 压力监测点布置

  5、结论

  (1) 离心泵内部流动产生的压力脉动的主频多数情况下是其通过频率,即转频和叶片数的乘积;

  (2) 离心泵在不同运行工况下,叶轮出口处的压力脉动幅值都是最大,这是由于叶轮出口处是旋转叶轮和静止蜗壳的干涉作用区所致;

  (3) 大流量偏离工况下离心泵内部各部分压力脉动特性与设计工况基本相同,只是脉动幅值略有增大;

  (4) 小流量偏离工况下,离心泵叶轮入口和蜗壳隔舌处的压力脉动特性与设计工况基本相同,但是在叶轮出口(叶轮和蜗壳动静干涉区域) 压力脉动幅值有所增大,脉动主频发生变化,不再是通过频率,而且其频谱宽度明显增大;

  (5) 当离心泵运行工况小于0.6Q 时,压力脉动明显比设计工况剧烈。

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