微型凹槽对低比转速离心泵内轴向旋涡及性能的影响研究.pdfVIP

西华大学硕士学位论文

摘要

低比转速离心泵是一类应用十分广泛，且具有小流量、高扬程特点的离心泵，叶轮

作为主要做功部件，水流在其内部的相对流动是一种复合运动。轴向旋涡流动是其中一

种特殊的相对运动，尤其是轴向旋涡在叶轮出口圆周上的相对速度，与泵的扬程有密切

联系。在叶轮前后盖板上开微型凹槽会改变叶轮内轴向旋涡流动，进而影响泵的多种特

性。为了探究微型凹槽对轴向旋涡的具体影响，以及对低比转速离心泵扬程等特性的影

响，本文主要采用了理论分析与数值模拟相结合的研究方法，以一台低比转速离心泵为

研究对象，推导离心泵叶轮流道内轴向旋涡运动与理论扬程的关系式，并设计了9种微

型凹槽布置方案，模拟分析在叶轮盖板上设置微型凹槽对轴向旋涡以及叶轮扬程的影响，

以及微型凹槽对离心泵定常与非定常特性的影响。本文的研究内容和成果如下：

1W

（）推导理论扬程与轴向旋涡在叶轮出口圆周的相对速度的关系式，在其他

r2

W

条件一定时，值越小，理论扬程越大。

r2

（2）研究微型凹槽的深度、长度、宽度与条数对轴向旋涡的影响。对叶轮单流道

进行数值模拟，分析单流道内轴向旋涡相对流动及轴向旋涡在叶轮出口圆周的相对速度。

结果表明：有凹槽的叶轮内的轴向旋涡流在叶轮出口前出现断裂和终止；且微型凹槽深

度越大，轴向旋涡在叶轮出口圆周上的相对速度越小。凹槽长度这一因素对W值的影

r2

响弱于凹槽深度对W值的影响；对凹槽宽度与条数的研究中，发现凹槽排布并非越密

r2

集越好，选取较大的宽度和合适的条数，能够较好地削弱轴向旋涡流动。

（3）研究微型凹槽对离心泵性能的影响。对整台离心泵进行数值模拟，分析了离

心泵的外特性和内流场变化。结果表明：微型凹槽越深，叶轮流道中部及出口的涡量值

越低，叶轮出口圆周的静压值越高，离心泵的扬程越高，与理论分析一致。凹槽越向进

口方向延伸，叶轮进口区域静压值越低，扬程在小流量范围内提升越明显，凹槽集中在

叶轮出口区域时，对大流量范围下的扬程提升作用更明显。

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（）对有、无凹槽的叶轮的非定常特性进行研究。分析有、无凹槽时叶轮径向力

及压力脉动特性。结果表明，有凹槽的叶轮盖板的径向力低于原叶轮盖板的径向力；在

设计工况下，凹槽一定程度上改善了叶轮出口区域的压力脉动；在非设计工况下，对叶

轮流道进口及中部位置的压力脉动有改善作用。

微型凹槽结构能够减缓轴向旋涡的旋转速度，改善叶轮流道内部分脱流，降低流道

内高涡量区域的面积，在保证泵效率基本不变或略增大的情况下，不同程度提升离心泵

叶轮的扬程，改善叶轮内压力脉动特性，这为叶轮性能优化提供了可能的方法。

关键词：低比转速；离心泵；轴向旋涡；微型凹槽

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Abstract

Lowspecificspeedcentrifugalpumpisakindofcentrifugalpumpwhichiswidelyused

andhasthecharacteristicsofsmallflowandhighhead.Asthemainworkingpart,therelative

flowintheimpellerisakindofcompoundmotion.Relativeeddyflowisoneofthespecial

relativemotion,especiallytherelativevelocityofrelativeeddyontheimpelleroutlet

cir