摘要
相对于传统轴流泵，环管轴流泵输送的介质为聚丙烯等复杂聚合物，一般不安装导叶或采用后置直导叶。由于环管轴流泵循环介质和结构的特殊性，其内部不稳定流动特性较强，运行中常出现轴功率波动大的现象。因此，掌握环管轴流泵内不稳定流动规律对于提高泵运行的可靠性具有重要意义。 本文依托中石化课题“年产30万吨聚丙烯装置用大型石油化工轴流泵的研制”，通过理论计算对名义比转速为1000的环管轴流泵关键水力部件进行设计，采用CFD方法进行模型泵三维全流场稳态与非稳态数值计算，着重探究马鞍区运行特性、叶轮和导叶间动静干涉特性、叶顶泄漏涡三维卷吸结构及其演变等规律。同时，通过模型泵和原型泵的能量特性试验进行两者效率换算的研究。本文主要研究工作和创新成果如下： 1.基于叶轮出口非线性的环量分布和轴面速度分布规律，采用流线法设计叶轮和导叶，得到模型泵初始设计方案。以初始叶轮为参考建立5种叶片安放角（βL=-4°、-2°、0°、+2°、+4°）的叶轮设计方案，通过数值计算对比不同方案下模型泵的马鞍区运行特性，发现-2°叶片安放角下模型泵水力性能最优。同时，针对-2°叶片安放角的设计方案，采用Workbench对叶轮转子系统进行流固耦合计算，验证结构设计的可靠性，并对模型泵进行外特性试验，结果表明模型泵水力性能符合设计要求。 2.在最优设计方案（-2°叶片安放角）基础上，建立5种不同叶轮和导叶轴向间距（s=0.05D、0.075D、0.1D、0.125D、0.15D）的匹配关系，结合全流道压力脉动、轴向力、径向力以及轴功率波动等瞬态变化规律，探究动静部件间的干涉作用对泵内不稳定流动的影响。研究表明：（1）额定工况附近，轴向间距对泵水力性能影响较小。大流量工况下减小轴向间距有利于提高泵水力性能，小流量工况下则相反。（2）随着轴向间距的减小，叶轮尾缘涡延伸长度和导叶吸力面角区分离的范围不断减小。同时还观察到，小流量工况下，叶轮出口轮毂处的回流速度随间距的减小而增大。（3）小流量工况下，轴向力、径向力和轴功率峰峰值均远大于其他工况。随着轴向间距的增大，轴向力脉动主频由二倍叶频变为一倍叶频，径向力波动不断减弱，轴功率波动的峰峰值不断降低，但降幅呈减小趋势。s=0.075D时轴向力最小，s=0.15D时，轴功率波动、径向力峰峰值及波动均最小。 3.在不改变叶轮直径的基础上，建立5种不同叶顶间隙尺寸（δ=0mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm）的模型泵；同时在保证间隙截面积相同的前提下，建立3种间隙类型（从叶顶前缘到后缘间隙尺寸分别为不变、渐缩和渐扩）的模型泵。通过叶顶泄漏损失计算、湍动能分布以及Q准则识别等方法，分析了叶顶间隙对叶顶分离涡、叶顶泄漏涡以及间隙内压力脉动的影响，探究了叶顶泄漏涡的演化过程。结果表明：（1）δ≥1mm时，泄漏流对相邻叶片形成“二次泄漏”，水力性能的下降幅度较明显；大流量工况下渐缩型叶顶间隙的模型泵水力性能略好；小流量工况下，常规型叶顶间隙略好。（2）叶顶泄漏损失随着间隙的增大呈线性增大趋势，而随着流量的增大呈非线性减小趋势。（3）在叶顶间隙内，监测点距离导叶越近，导叶通过频率的幅值越高。通过增大流量可以减弱叶轮和导叶动静干涉作用，降低导叶通过频率的幅值。（4）采用Q准则涡量等值面法分析了叶顶泄漏涡周期性变化过程，初步分析认为泄漏涡的溃灭和尾缘涡的脱落是造成叶轮出口轮缘处压力脉动幅值大于轮毂处的原因。 4.基于相似原理和分部效率计算理论，采用最小二乘法对模型泵试验数据进行拟合求解效率常数，实现对原型泵全工况下水力特性的参数换算。同时，进一步对原型泵进行样机加工与能量特性试验。根据原型泵试验结果，原型泵水力性能满足设计要求，且符合国家标准规定。对比试验结果与公式换算结果可知，两者扬程曲线和效率曲线的总体趋势基本一致，最优工况下扬程相对误差为2.2%，效率相对误差为0.33%。分部效率换算方法具有一定的可靠性，弥补了以往效率换算中仅考虑水力效率的不足。
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