高速离心泵的内部流动及模态分析

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1、高速离心泵的内部流动及模态分析InternalFlowandModalAnalysisofHighSpeedCentrifugalPump专业名称逾签扭撼及王程指导教师袁建垩碰究虽姓名刘君2014年06月独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名

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4、s日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布(包括刊登)授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：童I』君尹

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6、s其}s日，石9√，几矿b夕移嘭名刍璧以r币刀教乙撇训江苏大学硕士学位毕业论文摘要本文在国家科技支撑计划项目“百万千瓦级核电离心泵关键技术研究”(编号：2011BAfl4804)和国家自然科学基金项目“离心泵进口流场畸变诱导低频频率特性的研究”(编号：51349004)，以及江苏省高校优势学科建设工程资助下开展的研究工作。随着科技和现代工业的飞速发展，高速离心泵的转速越来越高，功率越来越大。然而，在转速提高的过程中也带来了一系列的问题，研究者们发现随着转速的提高，转子系统会发生剧烈的振动。振动会加速零件的磨损，导致效率和使用寿命的降低，泄露的发生，噪声的产生。严重

7、时导致转子失稳，轴等零部件的破坏造成不可估量的事故。因此，设计者们对高速泵运行稳定性和可靠性要求越来越高，如何降低旋转机械的振动已成为转子动力学领域迫切需要解决的问题之一。引起高速离心泵振动的原因很多，其中一种是由于流体作用力导致叶轮发生偏心转动，即“涡动”引起的高速离心泵的振动。本文通过数值模拟的方法来分析高速离心泵涡动下的内部流动状况以及内部流体作用力的分布，接着分析了流体作用力对转子系统应力应变以及临界转速和固有振型的影响。本文的主要研究内容及研究成果如下：1．总结了国内外转子动力学的研究现状。阐述了高速离心泵发展历程以及振动产生的原因。提出了研究高速离心泵

8、振动的必要性以及方法。其次采用公式推导的方法来描述转轴发生涡动的原因，推导出发生涡动旋转时圆盘中心的涡动轨迹方程，并给出了6个转子动力学系数的表达式。推导了叶轮转子涡动下的临界转速和振幅的表达式。2．通过给定一系列转子动力学参数，设计出高速离心泵涡动下的研究方案。采用ANSYSCFX软件对由三种流量，四种偏心距以及六种涡动频率比组成的不同方案下高速离心泵的内部流场进行数值模拟。研究了涡动比、流量和偏心距对高速泵内部流场的影响。得出的主要结论如下：(1)当叫口接近零时，叶轮进口处低压区的压力值最小、低压区面积最小。旋涡的个数最少，旋涡区的流速最低。当叫口越大或越小时

9、，则情况相反。涡高速离心泵的内部流动及模态分析动比为正时流道内的旋涡数少于涡动比为负时的个数，正涡动比能改善高速泵内部流动状态，负涡动比对高速泵内部流动具有一定的阻碍作用。(2)随着流量的增大，高速泵叶轮流道内的旋涡个数逐渐减小，旋涡低压区面积减小，二次回流得到改善。同一流量下，随着偏心距的增大叶轮进口处低压区面积逐渐增大，压力梯度逐渐增大；随着偏心距的增大旋涡的个数增加、旋涡面积增大、动能耗散增加，偏心距对于高速泵的内部流动有一定的阻碍作用。(3)高速离心泵内部的涡动特性主要受切向力R的影响。在设计工况点附近时，切向分力凡数值较小且较稳定。在大流量工况下，R和州

10、口之间满足一定的二次函数关系，可采用二次多项式进行拟合。当切向力曰与涡动速度∞方向相同时，会使涡动不稳定并降低旋转机械的涡动速度。反之，会提高涡动稳定性。3．将定常模拟的结果作为单向流固耦合的初始值，对转子系统进行静力分析。研究结果表明：随着涡动比的增大，叶轮上最大应力在不断减小。偏心距对叶轮上的应力分布基本没有影响，叶轮和叶片上的变形是不对称的。4．为了研究离心力，流体作用力等对转子系统临界转速的影响。对高速离心泵进行模态分析，得出如下结论：流量、涡动比以及偏心距对转子系统的各阶频率没有影响。流体作用力在一定程度上降低了转子的固有频率，高速离心泵正常情况下运转时

11、不会发生共