離心泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法研究流體機(jī)械及工程.pdf

1、離心泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排灌、市政、輕工、化工、建筑、礦山和冶金等部門。隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展,人們對(duì)泵的高效率、穩(wěn)定性和低噪聲等方面提出了更苛刻的要求。目前廣泛采用的離心泵葉輪水力設(shè)計(jì)方法,主要是以Stepanoff的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)方法為基礎(chǔ)的相似設(shè)計(jì)法。這種方法的特點(diǎn)是總結(jié)了前人設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn),特別是應(yīng)用計(jì)算機(jī)以后,建立了優(yōu)秀水力模型的數(shù)據(jù)庫(kù),這樣,根據(jù)所需要的流量、揚(yáng)程,從數(shù)據(jù)庫(kù)選出合適比轉(zhuǎn)數(shù)的水力模型設(shè)計(jì)一臺(tái)相似泵,滿足生產(chǎn)上的需要。但是,

2、隨著近年來(lái)對(duì)離心泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的參數(shù)(如流量、揚(yáng)程等)的精度要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)一元理論日益顯示出在設(shè)計(jì)方面的不足。
　　 本文通過(guò)對(duì)3種離心泵方案等揚(yáng)程設(shè)計(jì)研究,發(fā)現(xiàn)等揚(yáng)程設(shè)計(jì)離心泵在葉片出口處流動(dòng)并不理想,通過(guò)采用不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)方法,分別對(duì)3種離心泵方案進(jìn)行了水力設(shè)計(jì),獲得了較好的葉片出口總壓,靜壓及流速分布。并結(jié)合數(shù)值模擬CFD技術(shù),對(duì)兩種設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行定常和非定常數(shù)值模擬,證實(shí)了不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)離心泵葉片方法的優(yōu)越性,最后分別對(duì)等揚(yáng)

3、程設(shè)計(jì)的離心泵和不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)的離心泵進(jìn)行試驗(yàn)研究和比較分析,進(jìn)一步證實(shí)了不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)離心泵葉輪理論的正確性。本文主要的研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　 1.全面系統(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外離心泵水力設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,對(duì)傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)中的相似換算法、速度系數(shù)法、面積比原理、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、三元理論等進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹,闡述了數(shù)值模擬技術(shù)在離心泵水力設(shè)計(jì)中的重要性,指出了現(xiàn)有水力設(shè)計(jì)方法存在的不足,并介紹了不等環(huán)量設(shè)計(jì)法在風(fēng)機(jī)和軸流泵方面

4、的研究及應(yīng)用情況。
　　 2.首次提出了離心泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)方法的研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致葉輪葉片出口處流動(dòng)不理想,本文首次通過(guò)采用不等揚(yáng)程法進(jìn)行離心泵水力設(shè)計(jì),獲得了較好葉片出口總壓、靜壓及流速分布。
　　 3.首次運(yùn)用CFD技術(shù)分析了采用不等揚(yáng)程法設(shè)計(jì)的離心泵內(nèi)部定常和非定常流動(dòng)。定常計(jì)算得到了各模型的靜壓、絕對(duì)速度、相對(duì)速度、蝸殼斷面速度及葉輪出口前后蓋板的壓力分布

5、,初步揭示了模型泵內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,分析對(duì)比了采用不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)及等揚(yáng)程設(shè)計(jì)的水力性能,總結(jié)出采用不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn),并根據(jù)不同流量下模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),繪制出預(yù)測(cè)的性能曲線,結(jié)果表明采用不等揚(yáng)程設(shè)計(jì)中的方案一為最佳設(shè)計(jì)模型。非定常數(shù)值模擬證實(shí)了由于葉輪旋轉(zhuǎn)和蝸殼之間的相互作用在離心泵內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非定常性,不僅同一時(shí)刻葉輪各流道的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有差別,就是同一流道在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中流動(dòng)結(jié)構(gòu)也在不斷變化,呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng),致使蝸殼內(nèi)部沿圓周各

6、位置均存在周期性的壓力脈動(dòng),壓力脈動(dòng)幅頻普的最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率值為主頻與葉片數(shù)的乘積,并獲得了產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要影響因素。
　　 4.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵性能的預(yù)測(cè),而通過(guò)與外特性試驗(yàn)所得的性能曲線的對(duì)比,則又可從一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的評(píng)估,驗(yàn)證數(shù)值預(yù)測(cè)的可信度。從各個(gè)模型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表與圖中可以看出,模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差距,但總體趨勢(shì)一致,即在數(shù)值模擬中水力性能好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較理想。主要因

7、為:預(yù)測(cè)值僅為水力效率,未考慮機(jī)械效率和容積效率,并且數(shù)值模擬把離心泵內(nèi)的流動(dòng)理想化了,而實(shí)際運(yùn)行時(shí)不可能那么理想且實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)產(chǎn)生氣泡,所以數(shù)值預(yù)測(cè)的揚(yáng)程普遍高于試驗(yàn)值。誤差的大小與葉片數(shù)的多少有關(guān)系:葉片數(shù)越少,誤差越大。
　　 5.首次將不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于雙葉片污水泵、自來(lái)水廠取水泵和核電站冷卻水循環(huán)泵的水力設(shè)計(jì),結(jié)果表明:(1)設(shè)計(jì)的雙葉片污水泵水力性能很好,揚(yáng)程曲線呈直線下降,無(wú)駝峰,高效區(qū)寬。(2)設(shè)計(jì)的