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深井离心泵广泛应用于地下水抽取、高层建筑给水、农田灌溉等领域。随着全球水资源的日益耗竭,地下水位逐年下降,使用者对深井离心泵的需求量越来越大,对深井离心泵性能也提出了越来越高的要求,但是如何在有限井径下尽可能提高深井离心泵的单级扬程,缩短轴向长度,已成为相关学者的研究重点。 高速深井离心泵是近年来开发出的一种新型多级深井离心泵,它和常规深井泵相比具有较高的转速,主要优点是结构紧凑,体积小,重量轻,性能好,节能节材,是未来深井离心泵发展的新方向。而目前国内针对高速深井离心泵的研究几乎空白,因此对高速深井离心泵进行内部流动分析及可靠性研究具有重要的理论意义和工程实际意义。本文结合国家自然科学基金项目“新型多级泵叶轮-导叶耦合流场结构与能量转换机理研究(51279069)”以及与台州市百施度工贸有限公司、浙江省机电设计研究院合作项目“100QJ3.2高可靠节能节材变频高速井泵”,对项目设计研发的一台高速深井离心泵进行研究,主要研究内容及取得的成果如下: 1.针对项目设计的高速深井离心泵,对其主要的数值模拟方法进行了初步探讨,采用不同网格数、不同湍流模型、不同级数对高速深井离心泵进行了全流场三维定常数值模拟,从而选择出了适合该高速深井离心泵的网格数、湍流模型及级数,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比,以保证后续研究的可行性及准确性。 2.在定常数值模拟的基础上,对高速深井离心泵进行了三维非定常数值计算,基于涡动力学,利用正则化螺旋度法从涡运动结构对高速深井离心泵内部流动进行了诊断,主要对首级叶轮、导叶以及次级叶轮、导叶内涡结构进行辨识,初步探讨了高速深井离心泵内部流动机理。 3.在叶轮、导叶水体不同位置作截面流线图,分析了首级和次级叶轮以及导叶的内部流动情况。结果发现:次级叶轮流道整体流动情况比首级叶轮好,并且由于首级叶轮为无旋入流,液流角小而叶片的进口安放角大,在叶片进口处的流动相比次级叶轮进口处的流动要差;两级导叶内整体流动比较顺畅。根据流线分析结果可以进一步指导优化设计,提高泵性能。 4.为研究高速深井离心泵运行的可靠性,对其转子系统进行了不同载荷条件下的模态分析,分析不同载荷作用对高速深井离心泵转子系统振动频率及振型的影响,并计算出相应的临界转速值,分析共振的可能性。结果表明:重力载荷对高速深井离心泵转子系统固有频率的影响非常小,在计算时可以忽略;振动频率随着离心力的增加而减小,但是总体幅度非常小;流体压力载荷能够降低转子系统的弯振频率,降低临界转速值。