離心泵葉輪不等揚程水力設(shè)計方法研究流體機械及工程.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。隨著社會進步和科技發(fā)展,人們對泵的高效率、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)計方法,主要是以Stepanoff的經(jīng)驗系數(shù)方法為基礎(chǔ)的相似設(shè)計法。這種方法的特點是總結(jié)了前人設(shè)計制造經(jīng)驗,特別是應(yīng)用計算機以后,建立了優(yōu)秀水力模型的數(shù)據(jù)庫,這樣,根據(jù)所需要的流量、揚程,從數(shù)據(jù)庫選出合適比轉(zhuǎn)數(shù)的水力模型設(shè)計一臺相似泵,滿足生產(chǎn)上的需要。但是,

2、隨著近年來對離心泵設(shè)計工況點的參數(shù)(如流量、揚程等)的精度要求越來越高,傳統(tǒng)一元理論日益顯示出在設(shè)計方面的不足。
　　 本文通過對3種離心泵方案等揚程設(shè)計研究,發(fā)現(xiàn)等揚程設(shè)計離心泵在葉片出口處流動并不理想,通過采用不等揚程設(shè)計方法,分別對3種離心泵方案進行了水力設(shè)計,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),對兩種設(shè)計結(jié)果進行定常和非定常數(shù)值模擬,證實了不等揚程設(shè)計離心泵葉片方法的優(yōu)越性,最后分別對等揚

3、程設(shè)計的離心泵和不等揚程設(shè)計的離心泵進行試驗研究和比較分析,進一步證實了不等揚程設(shè)計離心泵葉輪理論的正確性。本文主要的研究工作及創(chuàng)新點有:
　　 1.全面系統(tǒng)地分析了國內(nèi)外離心泵水力設(shè)計方法的研究現(xiàn)狀及進展,對傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計中的相似換算法、速度系數(shù)法、面積比原理、優(yōu)化設(shè)計法、三元理論等進行了較為詳細的介紹,闡述了數(shù)值模擬技術(shù)在離心泵水力設(shè)計中的重要性,指出了現(xiàn)有水力設(shè)計方法存在的不足,并介紹了不等環(huán)量設(shè)計法在風(fēng)機和軸流泵方面

4、的研究及應(yīng)用情況。
　　 2.首次提出了離心泵葉輪不等揚程水力設(shè)計方法。通過對傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計方法的研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計方法會導(dǎo)致葉輪葉片出口處流動不理想,本文首次通過采用不等揚程法進行離心泵水力設(shè)計,獲得了較好葉片出口總壓、靜壓及流速分布。
　　 3.首次運用CFD技術(shù)分析了采用不等揚程法設(shè)計的離心泵內(nèi)部定常和非定常流動。定常計算得到了各模型的靜壓、絕對速度、相對速度、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)的流動規(guī)律,分析對比了采用不等揚程設(shè)計及等揚程設(shè)計的水力性能,總結(jié)出采用不等揚程設(shè)計優(yōu)點,并根據(jù)不同流量下模型的計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,繪制出預(yù)測的性能曲線,結(jié)果表明采用不等揚程設(shè)計中的方案一為最佳設(shè)計模型。非定常數(shù)值模擬證實了由于葉輪旋轉(zhuǎn)和蝸殼之間的相互作用在離心泵內(nèi)流動呈現(xiàn)出較強的非定常性,不僅同一時刻葉輪各流道的流動結(jié)構(gòu)有差別,就是同一流道在旋轉(zhuǎn)過程中流動結(jié)構(gòu)也在不斷變化,呈現(xiàn)出周期性的波動,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,壓力脈動幅頻普的最大幅值對應(yīng)的頻率值為主頻與葉片數(shù)的乘積,并獲得了產(chǎn)生壓力脈動的主要影響因素。
　　 4.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以實現(xiàn)對泵性能的預(yù)測,而通過與外特性試驗所得的性能曲線的對比,則又可從一定程度上實現(xiàn)對數(shù)值模擬準確性的評估,驗證數(shù)值預(yù)測的可信度。從各個模型數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)對比表與圖中可以看出,模擬結(jié)果和實驗結(jié)果有一定的差距,但總體趨勢一致,即在數(shù)值模擬中水力性能好的實驗結(jié)果也比較理想。主要因

7、為:預(yù)測值僅為水力效率,未考慮機械效率和容積效率,并且數(shù)值模擬把離心泵內(nèi)的流動理想化了,而實際運行時不可能那么理想且實際運行中可能會產(chǎn)生氣泡,所以數(shù)值預(yù)測的揚程普遍高于試驗值。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.首次將不等揚程水力設(shè)計方法應(yīng)用于雙葉片污水泵、自來水廠取水泵和核電站冷卻水循環(huán)泵的水力設(shè)計,結(jié)果表明:(1)設(shè)計的雙葉片污水泵水力性能很好,揚程曲線呈直線下降,無駝峰,高效區(qū)寬。(2)設(shè)計的