关于离心泵的介绍

　　中低比转数离心泵作为工程中液体输送的主要机械部件，具有流量小、扬程高等特点。随着工业技术的迅速发展，扩大离心泵的稳定运行范围成为亟待解决的工业问题。离心泵在设计流量下运行时流动状态良好，在小流量下运行时，叶轮流道内会发生严重的流动分离及堵塞，进而引发失速，失速团的非定常运动会破坏流场的均匀度以及稳定性，失速引发的振动还可能与其他结构部件发生共振。对于半开式离心泵而言，小流量时流态恶化与失速引发的运行不稳定问题更为突出。由于叶顶间隙的存在，叶顶附近的低能流体在叶片压力面与吸力面压差的驱动下，透过间隙进入叶片相邻流道形成泄漏涡。在近失速工况运行时，来流与泄漏涡相互作用所呈现的旋转非定常特性加剧了叶轮内部的流动分离及堵塞等非定常脉动现象，是叶轮内部失速发生的重要诱因。失速发生前非定常扰流-叶顶泄漏涡所呈现的非定常脉动特性可以作为预测失速发生的判据。因此，研究叶顶区域泄漏涡的流动结构及其发展演变规律等非稳态特性，对于控制失速及扩大离心泵的稳定运行范围具有重要意义。

　　关于叶顶泄漏涡流动特性的研究主要分为两方面。一方面是叶顶间隙与离心叶轮流动特性之间的关系研究。研究表明，随着叶顶间隙的减小，总扬程、功耗和水力效率均加大，叶轮内流场分布紊乱，间隙层内流场更平稳;而随着叶顶间隙的加大，扬程流量曲线驼峰呈减弱趋势，较大的叶顶间隙可以改善低比速数离心泵的驼峰现象]。另外，叶顶间隙对叶顶区域的压力脉动也有显著影响，受泄漏涡的影响，间隙进口处的流场紊乱，压力脉动幅值较大，随着间隙变大，叶顶区域的脉动幅值逐渐变大。叶顶间隙的均匀性对流场也有明显影响，非均匀间隙会变大泄漏涡、二次流的不稳定性。因此，设计合理的叶顶间隙尺寸、均匀度可以改善叶轮内部流态，扩大稳定工作范围。另一方面是关于叶顶泄漏涡非定常演变机理的研究。研究发现，流道中部以后，间隙流扰乱了主流方向，并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区。在小流量工况运行时，叶顶间隙发生堵塞且叶尖处泄漏涡存在周期性扰动，这种周期性扰动被称为旋转失稳，其时域特性表现为高频信号，频谱特性表现为宽带峰。通过分析发现，这种旋转不稳定性是叶顶间隙泄漏涡与回流相互作用的结果。上述泄漏涡的非稳态特性在气力机械中研究较为深入，而针对半开式离心泵中叶顶泄漏涡的非定常演化机理的研究较少。且水的密度大、压缩性小，在泵体中的流动速度远小于气力机械，这些水气之间物性参数的差异，使得气力机械相关泄漏涡非定常特性的研究无法直接应用于半开式离心泵中。因此，半开式离心泵内叶顶泄漏涡的时域非稳态行为还有待深入研究。

　　本文基于半开式离心泵全流道非稳态计算结果,对失速发生前叶顶泄漏涡流动结构的不稳定性进行分析，并对比不同流量下泄漏涡结构的演变过程。通过对叶顶泄漏涡非定常特性的研究，揭示泄漏涡的运动特性，为扩大半开式离心泵稳定运行范围以及改善叶轮内部失速问题提供水力设计参考依据。

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