高速離心泵的內(nèi)部流動(dòng)及模態(tài)分析

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1、高速離心泵的內(nèi)部流動(dòng)及模態(tài)分析InternalFlowandModalAnalysisofHighSpeedCentrifugalPump專業(yè)名稱逾簽扭撼及王程指導(dǎo)教師袁建堊碰究雖姓名劉君2014年06月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果，也不包含為獲得江蘇大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名

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4、s日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書江蘇大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致，允許論文被查閱和借閱，同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本論文編入《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》并向社會(huì)提供查詢，授權(quán)中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社將本論文編入《中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》并向社會(huì)提供查詢。論文的公布(包括刊登)授權(quán)江蘇大學(xué)研究生處辦理。本學(xué)位論文屬于不保密口。學(xué)位論文作者簽名：童I』君尹

5、忤

6、s其}s日，石9√，幾礦b夕移嘭名芻璧以r幣刀教乙撇訓(xùn)江蘇大學(xué)碩士學(xué)位畢業(yè)論文摘要本文在國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“百萬千瓦級(jí)核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：2011BAfl4804)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“離心泵進(jìn)口流場(chǎng)畸變誘導(dǎo)低頻頻率特性的研究”(編號(hào)：51349004)，以及江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助下開展的研究工作。隨著科技和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，高速離心泵的轉(zhuǎn)速越來越高，功率越來越大。然而，在轉(zhuǎn)速提高的過程中也帶來了一系列的問題，研究者們發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)發(fā)生劇烈的振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)加速零件的磨損，導(dǎo)致效率和使用壽命的降低，泄露的發(fā)生，噪聲的產(chǎn)生。嚴(yán)重

7、時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，軸等零部件的破壞造成不可估量的事故。因此，設(shè)計(jì)者們對(duì)高速泵運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高，如何降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)已成為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域迫切需要解決的問題之一。引起高速離心泵振動(dòng)的原因很多，其中一種是由于流體作用力導(dǎo)致葉輪發(fā)生偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，即“渦動(dòng)”引起的高速離心泵的振動(dòng)。本文通過數(shù)值模擬的方法來分析高速離心泵渦動(dòng)下的內(nèi)部流動(dòng)狀況以及內(nèi)部流體作用力的分布，接著分析了流體作用力對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變以及臨界轉(zhuǎn)速和固有振型的影響。本文的主要研究內(nèi)容及研究成果如下：1．總結(jié)了國內(nèi)外轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀。闡述了高速離心泵發(fā)展歷程以及振動(dòng)產(chǎn)生的原因。提出了研究高速離心泵

8、振動(dòng)的必要性以及方法。其次采用公式推導(dǎo)的方法來描述轉(zhuǎn)軸發(fā)生渦動(dòng)的原因，推導(dǎo)出發(fā)生渦動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)圓盤中心的渦動(dòng)軌跡方程，并給出了6個(gè)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系數(shù)的表達(dá)式。推導(dǎo)了葉輪轉(zhuǎn)子渦動(dòng)下的臨界轉(zhuǎn)速和振幅的表達(dá)式。2．通過給定一系列轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)出高速離心泵渦動(dòng)下的研究方案。采用ANSYSCFX軟件對(duì)由三種流量，四種偏心距以及六種渦動(dòng)頻率比組成的不同方案下高速離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了渦動(dòng)比、流量和偏心距對(duì)高速泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響。得出的主要結(jié)論如下：(1)當(dāng)叫口接近零時(shí)，葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)的壓力值最小、低壓區(qū)面積最小。旋渦的個(gè)數(shù)最少，旋渦區(qū)的流速最低。當(dāng)叫口越大或越小時(shí)

9、，則情況相反。渦高速離心泵的內(nèi)部流動(dòng)及模態(tài)分析動(dòng)比為正時(shí)流道內(nèi)的旋渦數(shù)少于渦動(dòng)比為負(fù)時(shí)的個(gè)數(shù)，正渦動(dòng)比能改善高速泵內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，負(fù)渦動(dòng)比對(duì)高速泵內(nèi)部流動(dòng)具有一定的阻礙作用。(2)隨著流量的增大，高速泵葉輪流道內(nèi)的旋渦個(gè)數(shù)逐漸減小，旋渦低壓區(qū)面積減小，二次回流得到改善。同一流量下，隨著偏心距的增大葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)面積逐漸增大，壓力梯度逐漸增大；隨著偏心距的增大旋渦的個(gè)數(shù)增加、旋渦面積增大、動(dòng)能耗散增加，偏心距對(duì)于高速泵的內(nèi)部流動(dòng)有一定的阻礙作用。(3)高速離心泵內(nèi)部的渦動(dòng)特性主要受切向力R的影響。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近時(shí)，切向分力凡數(shù)值較小且較穩(wěn)定。在大流量工況下，R和州

10、口之間滿足一定的二次函數(shù)關(guān)系，可采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。當(dāng)切向力曰與渦動(dòng)速度∞方向相同時(shí)，會(huì)使渦動(dòng)不穩(wěn)定并降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械的渦動(dòng)速度。反之，會(huì)提高渦動(dòng)穩(wěn)定性。3．將定常模擬的結(jié)果作為單向流固耦合的初始值，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析。研究結(jié)果表明：隨著渦動(dòng)比的增大，葉輪上最大應(yīng)力在不斷減小。偏心距對(duì)葉輪上的應(yīng)力分布基本沒有影響，葉輪和葉片上的變形是不對(duì)稱的。4．為了研究離心力，流體作用力等對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響。對(duì)高速離心泵進(jìn)行模態(tài)分析，得出如下結(jié)論：流量、渦動(dòng)比以及偏心距對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階頻率沒有影響。流體作用力在一定程度上降低了轉(zhuǎn)子的固有頻率，高速離心泵正常情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)

11、不會(huì)發(fā)生共