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配件断裂或叶轮堵塞对水泵性能的影响

水泵叶片断裂除了会导致效率下降以外,断裂的叶片会导致叶轮质心偏离旋转中心,由于叶轮安装在转子上,随着转子一起转动,故叶片断裂会导致转子不平衡质量改变。


转子的总不平衡量为原始不平衡与叶片损坏导致的不平衡量的适量和,当断裂导致的不平衡量与原始不平衡量方向相同时会导致不平衡质量增大,转子径向位移振动值相应增大,工频值上升。当断裂导致的不平衡量与原始不平衡量方向相反时,会导致不平衡质量减小,ca88会员登录不平衡振动相应的减小,工频值下降。当共振或腐蚀导致叶片断裂时,不平衡质量的变化较快,转子径向位移振动值一般表现为跳变。


与叶片断裂相似,叶轮堵塞时,堵塞物质的质量会导致叶轮质心偏离旋转中心,导致转子不平衡质量改变,转子径向位移振动值改变。但叶轮堵塞时,堵塞物质缓慢淤积,不平衡质量缓慢改变,故转子径向位移振动值缓慢改变。


通常利用压力变送器测量的离心泵压力为静态参数,是离心泵流场参数的静态分量,实际上离心泵流场除了静态压力分量以外还存在动态分量,动态分量叠加在静态分量上构成了离心泵流场的压力脉动。流体在离心泵蜗壳中流动时,流量不变,由于蜗壳的横截面面积增大,导致流体的流速减小,动压能转换为静压能,使得蜗壳内压力随着蜗壳截面积增大而增大。此外,叶轮为旋转部件,蜗壳为静止部件,动静部件的相对运动会产生动静干涉,以上两个原因导致离心泵流场呈现了较为复杂的非定常压力脉动,压力脉动作用在蜗壳或者叶片等部件上会导致部件承受一个变化的激励力。


多级离心泵由于入口压力降低产生气蚀时,叶轮中低压区会出现大量气泡,气泡的出现会阻碍流体运动,造成流体水利损失,下游压力降低。随着流场压力的脉动,气泡分数也随之脉动,压力脉动到低点,气泡分数增加到高点,导致压力损失增大。压力脉动到高点,气泡分数减小到低点,能量损失减小。故多级离心泵出现气蚀时,压力脉动与气泡导致的能量损失脉动相叠加,压力脉动幅度上升,导致多级离心泵蜗壳、叶片部件受的激励力波动加剧。


ca88手机版厂为了分析气蚀对多级离心泵蜗壳、叶片所受激励力的影响,从而分析气蚀故障的振动特征,本文需建立多级离心泵首级叶轮与蜗壳模型,对其进行非定常数值模拟计算,分析不同入口有效气蚀余量下的流场分布以及部件受力。


建立的气蚀分析模型流道以及网格模型。但为了分析压力脉动,需对其进行非稳态求解,选用非定常求解器,出口采用质量流量出口边界,定义质量流量为23.6kg/s,入口采用压力入口边界。叶轮转速为2980r/min,旋转周期为0.02s,定义计算时间步长为0.00005s,时间步数为2000步,计算总时长为0.1s。为了加速收敛,利用稳态计算结果作为非稳态计算的初始流场进行非稳态求解。利用入口有效气蚀余量代表不同的气蚀程度,为了分析入口有效气蚀余量对气泡分数以及运行效率的影响规律,ca88手机版厂对入口有效气蚀余量76m、12.02m、11.62m三种工况下的非稳态流场进行计算,分析不同气蚀程度对多级离心泵蜗壳、叶片所受激励力的影响。

图1:蜗壳压力脉动监测点示意图

蜗壳压力脉动监测点示意图

蜗壳受力为流场压力与外界大气压之差,大气压恒定,将各个工况的非稳态计算结果导入CFD-POST中进行后处理,为了得到蜗壳中某点的受力,建立如图1所示的监测点进行压力监测。


随着入口有效气蚀余量的降低,气蚀程度的增加,监测点压力脉动峰峰值随之增大,导致蜗壳受力波动程度加剧,蜗壳受力波动峰峰值增大趋势随入口有效气蚀余量的降低而增大。入口气蚀余量降低,导致入口压力降低,且由于气泡的影响,压力损失增大,导致离心泵流场整体压力降低,随着入口气蚀余量降低,蜗壳受力波动直流分量降低,且下降趋势随着有效气蚀余量下降而快速增大。


对不同入口有效气蚀余量下蜗壳受力波动波形做傅里叶变换得到其频域分布。蜗壳中压力脉动主要频率成分为250Hz和505Hz频率成分。由于多级离心泵转速为2980r/min,每级叶轮叶片个数为5各,故其工频近似为50Hz,叶轮通过频率近似为250Hz。故蜗壳蜗壳受力波动波形主要为叶轮通过频率及其二倍频。将不同入口气蚀余量的频域图进行对比,发现随着ca88会员登录入口有效气蚀余量的降低,气蚀程度的加深,蜗壳蜗壳受力波动频域图中的叶轮通过频率上升明显,且上升趋势随着入口有效气蚀余量的降低而加快。


一个叶片包含压力面和吸力面两个面,流场作用在叶片上的力是压力面和吸力面的压力差,故叶片受力波动为叶片压力面与吸力面的压差脉动。提取出压力面与吸力面的压力脉动参数,将压力面流场压力波动曲线与吸力面流场压力波动曲线相减可得到叶片受力波动曲线。


将不同气蚀余量下的非稳态计算结果导入CFD-POST进行后处理,得到不同入口有效气蚀余量工况下的叶片受力波动波形。正常情况下叶片压力面的压力要大于吸力面,压力面与吸力面压力之差为正值,但当叶片经过隔舌时,蜗壳截面从最大截面积突变成最小截面积,蜗壳压力有一个突然的变化,此时叶片压力面与吸力面分布与隔舌两侧,叶片压力面位于截面积最小的一边,压力面压力脉动到最低点,吸力面位于截面积最大的一边,吸力面压力脉动到最高点,此时吸力面压力大于压力面压力,压力面与吸力面压力之差为负值。由于隔舌尺寸较小,上述特殊情况在叶轮旋转一周过程中持续时间非常短,属于最大压力向最小压力的突变过程,故叶片受力脉动会出负方向的尖刺,相当于叶片经过隔舌时会承受一个冲击力。


由于叶轮流道中气泡的影响,会导致叶轮流道中的压力脉动幅度增大,叶片受力波动幅度也随之增大。对比不同入口气蚀余量下叶片受力,随着入口气蚀余量下降,叶轮流道中的气泡分数增加,导致波动峰峰值增大,叶片受力波动越来越剧烈。


对不同入口有效气蚀余量下叶片受力波动波形进行傅里叶变换,得到其频域分布。由于本文所研究的多级离心泵蜗壳存在两个相同流道和两个相同隔舌,故叶轮旋转一周会经过两次蜗壳截面渐变的过程,也会经过两次隔舌,故叶轮旋转一周流道中的压力会变化两个周期,导致叶片受力在叶轮旋转一周的过程中也会变化两个周期,故叶片受力频率主要以二倍频100Hz及其倍频为主。气泡分数会导致叶片受力脉动加剧,随着入口气蚀余量的降低,ca88手机版叶轮流道中气泡分数随之增加,频域中的二倍频及其倍频的幅值也随之上升,随着入口气蚀余量的降低,二倍频及其倍频的幅值上升趋势明显增大。


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点击次数:  更新时间:2018-01-08 09:00:59  【打印此页】  【关闭