针对垃圾焚烧工程急冷系统中高速离心泵密封问题,设计一种五极六靴二十四齿的磁性液体旋转密封装置,该装置适用于焚烧的高温烟气环境条件,使用寿命长。理论上推导考虑温度和离心力因素的磁性液体密封耐压公式,得出密封耐压力为线速度的二次函数,温度的一次函数。用Ansys有限元分析软件计算该密封结构分别在间隙0.4、0.5、0.6和0.7 mm下的磁性液体磁场分布。结果表明:密封耐压能力随着密封间隙的减小而逐渐递增,而由于漏磁的存在,递增的程度并非线性的;磁力线分布表明,在第一、六极靴和二、五极靴处漏磁较大。密封实验中得出最大间隙为0.7 mm时单级密封耐压能力达到51.7 kPa。

为研究诱导轮叶片表面开缝对高速离心泵空化性能的影响规律,设计叶片开缝系数k为0(叶片未开缝)、6.7%、13.3%、20%和26.7%五种叶片开缝方案。基于RNGk-ε湍流模型和Reyleigh-plesset空化模型对高速离心泵进行全流道三维数值模拟,对比分析了诱导轮截面内流线和压力分布规律、诱导轮内空泡发展过程及离心泵的空化特性曲线。研究结果表明诱导轮叶片入口轮缘处开缝可减小亦或是消除该区域的低压区,且对离心泵的水力性能的影响较小;缝隙可抑制并减小初生空化阶段空泡体积分布;开缝系数k对高速离心泵空化性能的影响存在最优值,该研究中开缝系数k=13.3%时,诱导轮的空化性能表现最优。

为了研究高速诱导轮离心泵内空化发生发展规律,采用高速摄像技术,对离心泵内诱导轮与叶轮流道的空化流动进行可视化研究,并结合CFD数值计算对离心泵内部流场进行模拟分析。结果表明：在空化初生阶段（汽蚀余量为5.0 m）,诱导轮叶片前缘出现叶顶泄漏涡空化;在空化发展阶段（汽蚀余量为1.07～5.0 m）,流动极为复杂,在诱导轮流道内同时出现叶顶泄漏涡空化、片状空化和云状空化,并且在较低汽蚀余量（汽蚀余量为1.5 m）时,出现不对称空化现象。在空化初生和发展阶段,泵的扬程和效率基本保持不变;在空化恶化阶段（汽蚀余量小于1.07 m）,诱导轮流道内基本被空泡堵塞,空泡进入叶轮流道,导致离心泵扬程和效率急剧下降。

为探究高速离心泵内部空化的演变过程对其稳定性产生的影响。对高速离心泵的内部空化流动及非定常下的多维空间监测点压力脉动进行模拟计算,研究叶片空间上的空泡体积分数占比情况,叶轮流道中三维空化由弱到强的过程对隔舌及叶轮出口的压力脉动影响。研究结果表明：各叶片上的空泡体积分数随着空化系数及流量系数的减小而逐渐增加;在空化相对较小时,对隔舌及出口的压力脉动影响变化速率较为平缓,在空化较严重时,对隔舌及出口的压力脉动影响较大,且影响变化速度较大时空化系数的界点为σ=0.086附近。

为了保证高速离心泵能获得连续下降的稳定的扬程流量特性线，在结构方面采取了在诱导轮前缘加孔板、离心轮前加孔板或者同时在诱导轮进口前缘、离心轮进口前安装孔板的措施。经试验证明：该措施可有效地减弱回流及其造成的水力损失，从而使高速离心泵取得了很稳定的扬程流量特性线。该研究对低比转速高速诱导轮离心泵的设计具有重要的指导意义。