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原文传递船用离心泵运行特性研究

论文题名：	船用离心泵运行特性研究
关键词：	船用离心泵;倾斜运动;摇摆运动;压力脉动;数值计算
摘要：	本文在国家科技支撑计划“船用离心泵和磁力泵关键技术研究及工程应用”（2011BAF14B03）、江苏省产学研前瞻项目“高性能多用途舰船用离心泵关键技术研究与产业化”（BY2011140）和江苏省高校研究生创新基金（CXLX13_658）的资助下开展工作。　　与普通离心泵相比，由于舱室空间、运行环境以及舰船的特殊性能需求，船用离心泵工作运行条件更为复杂。当前船用离心泵的研究对于摇摆和倾斜等实船运行条件基本不予考虑，使得现有成果的实际应用受到了较多限制。为了更好地研究和掌握实船上离心泵的内部流动情况，本文搭建船用泵摇摆试验台，模拟船用泵在特定海况下的倾斜和摇摆运动，从而研究倾斜及摇摆条件下泵的运行特性，并结合数值模拟方法探索其对泵内部流动、能量性能和压力脉动等特性的作用机理。同时针对船用离心泵工作空间小、弯管多等特点，研究不同进出口管路对泵性能的影响以及不同形状管路下弯管内部流场的压力、速度及压力脉动等特征。本文主要工作和创造性成果有：　　1．总结了目前国内外船用泵及其弯管内流动的研究进展以及离心泵压力脉动、流动诱导振动的研究现状，并阐述了船用泵的摇摆规律模型。　　2．创新设计了船用泵倾斜及摇摆试验装置，首次实现了船用泵倾斜和摇摆条件下能量性能、压力脉动和诱导振动等特性的同步测试。泵不同倾斜角度下的能量性能测试结果表明：（1）随着倾斜角度的增加，泵扬程增量逐渐增加。在不同工况下无论左倾还是右倾模型泵扬程均高于正常工作情况时的扬程，最大增幅达2.3%。（2）倾斜对效率的影响总体比较小，但随着倾角的增大，在大流量工况下泵左倾时的效率均高于泵右倾的效率。　　3．不同倾角下模型泵压力脉动特性和流动诱导振动特征的试验测试表明：（1）蜗壳第Ⅱ断面监测点P1、第Ⅳ断面监测点P2的压力脉动幅值随着左倾斜角度的增大而升高，并随着右倾斜角度的增大波动减小，而蜗壳第Ⅵ断面监测点P3和隔舌正对面监测点P4的压力脉动规律变化复杂且较为相似。（2）随着倾角的增加，各监测点叶频和轴频处压力脉动幅值整体上呈增大趋势，叶频处幅值最大增幅为27.49%，轴频处幅值最大增幅为29.14%。（3）在左倾和右倾相同角度时，向左倾斜时泵内各监测点的振动幅值变化较大，而向右倾斜时幅值变化相对较小。（4）各监测点的最大振动加速度整体上随着左倾斜角度的增大而逐渐增加，最大增幅达17.16%；随着右倾斜角度的增加在小幅波动，平均变化幅度为4.50%。　　4．以一比转数为78的船用离心泵作为研究模型，采用CFD方法研究了倾斜角度对泵能量性能、内部流动和压力脉动等影响规律，结果表明：（1）随着倾斜角度的增加，模型泵扬程、功率等参数变幅整体呈增大趋势，泵左倾25°时和泵右倾25°时，扬程最大增幅分别为1.30%和1.90%。（2）泵倾斜时进口管内低压区面积变小，并在蜗壳出口的低速区内产生明显的漩涡。（3）倾斜时泵内各监测点主频处压力脉动幅值增大，平均增幅为8.1%。　　5．船用离心泵不同摇摆角度和摇摆周期下的压力脉动和振动试验研究表明：（1）随着摇摆角度的增加，泵内压力脉动峰峰值也逐渐增加，最大增幅达到8.56%；在不同摇摆周期下，泵内各监测点的叶频处压力脉动幅值均呈现明显的规律性，且随着摇摆周期的增加压力脉动峰峰值均先增加后减小，最大变幅17.63%。（2）随着摇摆角度的增加，模型泵振动幅值也逐渐增大，最大增幅达到7.53%；随着摇摆周期增加，除了泵出口法兰处监测点M1之外，各监测点的最大振动加速度值总体呈减小趋势，最大减幅达9.14%；摇摆与倾斜角度相同时，摇摆下各监测点振动加速度值略有增加，在电机底座监测点M6最大增加了5.80%。　　6．采用数值模拟方法研究了进口管路转弯角度、转向半径和直管长度等对船用离心泵能量性能和内部流场的影响，结果表明：（1）随着进口弯管的转弯角度α增大，泵的扬程和效率均逐渐减小，最大减幅分别为0.8%和3.2个百分点；弯头内侧压力值逐渐减小，外侧压力值增大，相应的内外压力差值增大；泵进口法兰处监测点P0压力脉动幅值减小，减幅最大为27.3%。（2）随着转向半径R增大，泵的扬程逐渐增大，最大增加了1.2%；效率逐渐增高，最高增加5.4个百分点；弯头内侧压力值逐渐增加，外侧压力值和内外压力差值逐渐减小；进口法兰处P0点压力脉动幅值增加，增幅为67.8%。（3）随着直管段长度L的增大，扬程和效率变化较小，分别增加了0.4%和1.2个百分点；弯头内侧、外侧压力值和速度值比较平稳，变化较小；进口法兰处P0点压力脉动幅值变大，增幅达76.5%。　　7．采用数值模拟方法研究了3种不同形式出口管路对模型泵的能量性能和管路内压力、速度及压力脉动等特征的影响，结果表明：（1）随着出口弯管转弯角度α的增加，泵扬程先减小后增加，在α=90?时最小；效率逐渐降低，最大减幅3.8个百分点；转弯处内侧、外侧压力值先减小后增加，内外压力差值先增加后减小；泵出口法兰处监测点P5主频处压力脉动幅值先增大后减小，在α=90?时达最大值，最大增幅为2.5%。（2）随着转向半径R增大，泵的扬程和效率均逐渐增加，最大增幅分别为2.4%和6.4个百分点；弯头内侧压力值逐渐增加，外侧压力值小幅平缓降低，内外压力差值逐渐减小；出口法兰处P5点主频处压力脉动幅值先增加后减小，变幅较小，最大变幅仅为0.4%。（3）随着直管段长度L的增大，扬程和效率均是先增加后减小，最大增幅分别为1.8%和1.5个百分点；内侧、外侧压力值均小幅增加，而内外压力差值逐渐减小，变化量较小且均趋于平稳；随着出口直管段长度L增加，出口法兰处P5点主频处压力脉动幅值逐渐减小，减幅为3.0%。（4）相对于进口弯管，出口弯管参数在更大程度上影响着泵的能量性能，且出口弯管的转弯半径和转弯角度对模型泵能量性能的影响更为显著。
作者：	陈新响
专业：	流体机械及工程
导师：	刘厚林
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文