（机械电子工程专业论文）单轴双输送低比转速离心泵的设计与性能研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 jiipiirrliri iirli i iri lllllf y 17 4 7 2 0 2 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密囹 。 学位论文作者签名：雄砖迩 同期：狲年夕月彤日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 书心艺 1 日期：- v ol 口年3 月 单轴双输送低比转数离心泵的 设计与性能研究 d e s i g na n dp e r f o r m a n c er e s e a r c ho ft h eu n i a x i a ld o u b l e - t r a n s p o r t l o w - s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p 摘要 低比转速离心泵广泛应用于石油、化工及制药等领域输送小流量高扬程介质。本文提 出了一种新型结构的单轴双输送低比转速离心泵，并对其进行了水力、结构设计及性能研 究。它是一种崭新结构，具有两套独立的过流部件，单轴可以实现两种介质的输送。采用 数值计算和试验验证相结合的研究方法，对所设计的单轴双输送离心泵进行了研究，旨在 了解单轴双输送离心泵内部流动情况以及外特性性能，为单轴双输送离心泵设计和改进提 供依据。具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 给出了单轴双输送低比转速离心泵过流部件的水力设计方法，提出了整体结构的 设计方案，并采用复合叶轮设计法设计了一台单轴双输送低比转速离心泵。 ( 2 ) 介绍了本文计算所采用的数值方法；利用p r o e 对单轴双输送离心泵的一套过流 部件吸水室、复合叶轮以及蜗壳进行了建模。利用n u m e c a 软件，采用结构化网格对过 流部件进行了网格划分。 ( 3 ) 采用雷诺时均n a v i e r - s t o k e s 方程和s p a l a r t a l l m a r a s 模型湍流模型对单轴双输送 离心泵一侧过流部件内部流动进行了数值模拟计算，采用冻结转子法处理叶轮与蜗壳间动 静耦合流动的参数传递，得到了单轴双输送离心泵内部流场分布，分析了内部流动特征， 并进行了性能预测。 ( 4 ) 对单轴双输送离心泵进行了试验研究。确定试验方案，搭建试验台，进行了单轴 双输送离心泵的性能试验。将试验测试结果与数值预测结果进行分析比较，验证了数值模 拟的准确性，为下一步的离心泵的优化设计提供参考。 关键字：单轴双输送离心泵；低比转速；复合叶轮；数值模拟；试验研究 d e s i g na n dp e r f o r m a n c er e s e a r c ho ft h eu n i a x i a ld o u b l e t r a n s p o r t l o w - s p e c i f i c - s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p a b s t r a c t t h el o w - s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lp u m ph a sb e e nw i d e l yu s e dt ot r a n s p o r th i g hh e a da n d s m a l l c a p a c i t ym e d i u m i nm o s ti n d u s t r i a lf i e l d ss u c hp e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y , t r a g a c a n t h , p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y i nt h i sp a p e r , an e ws t r u c t u r eo fc e n t r i f u g a lp u m pn a m e dt h eu n i a x i a l d o u b l e t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m ph a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d h y d r a u l i c ，i n t e g r a ls t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e r e s e a r c hh a v eb e e nc a r r i e do u tt o s t u d y t h eu n i a x i a l d o u b l e t r a n s p o r t l o w - s p e c i f i c - s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p t h eu n i a x i a ld o u b l e - t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m ph a st w o f l o wp a s s a g ec o m p o n e n t s ，c a nt r a n s f o r mt w om e d i u mi np a r a l l e l b o t ho ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la r ea d o p t e dt os t u d yt h eu n i a x i a ld o u b l e - t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m p ， t oc o m p r e h e n dt h ei n t e r n a lf l o w sa n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt op r o v i d er e f e r e n c ef o r o p t i m i z a t i o nd e s i g no fc e n t r i f u g a lp u m p t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e t h o d so f h y d r a u l i cd e s i g na n di n t e g r a ls t r u c t u r eh a v eb e e np r e s e n t e dt od e s i g nt h e u n i a x i a ld o u b l e t r a n s p o r t c e n t r i f u g a lp u m p ，t h ef l o wp a s s a g ec o m p o n e n t so fu n i a x i a l d o u b l e - t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m ph a sb e e nd e s i g n e db yu s i n gt h em e t h o do fc o m p l e xi m p e l l e r ( 2 ) t h em e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h ep r o e n g i n e e rs o f t w a r e i sa p p l i e dt om o d e lt h ef l o wp a s s a g ec o m p o n e n t ss u c t i o nc h a m b e r , c o m p l e xi m p e l l e ra n ds p i r a l c a s e t h es t r u c t u r a lm e s hw a sg e n e r a t e db yu s i n gn u m e c as o f t w a r e 。 ( 3 ) t h en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sa n dt h es p a l a r t - a l l m a r a st u r b u l e n c em o d e la r ec a r r i e do u t t os i m u l a t eo n es i d ei n n e rf l i e do ft h eu n i a x i a ld o u b l e t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m p ，t h ef r o z e n r o t o ra p p r o a c hi sa d o p t e db e t w e e nt h ei m p e l l e ra n dt h ev o l u t et ot r a n s f o r mt h ec o u p l i n g i n f o r m a t i o no ff l o wf i e l d s t h ed i s t r i b u t i o n so fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ea r eo b t a i n e d ，a n dt h e p r o p e r t i e so f i n n e rf l o wi n s i d et h ev o l u t ea r ea l s oa n a l y z e d a tl a s t , t h ep e r f o r m a n c ec u r v e sw e r e f o r e c a s t e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ( 4 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc a r r i e do u tt ot h eu n i a x i a ld o u b l e - t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m pb y d e t e r m i n ee x p e r i m e n t a ls c h e m ea n ds e tu pt e s t i n gr i g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht h e u r a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nm e t h o do ft h eu n i a x i a ld o u b l e t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m pw a sv e r i f i e d t h ea c c u r a c yo fo u rn u m e r i c a lm o d e l sa n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nw e r e f u r t h e rv e r i f i e db yc o m p a r i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a n da l lt h e s ec o u l db er e f e r e n c e sf o r t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h ec e n t r i f u g a lp u m p k e y w o r d s ：u n i a x i a ld o u b l e - t r a n s p o r tc e n t r i f u g a lp u m p ；l o w - s p e c i f i c - s p e e d ；c o m p l e xi m p e l l e r ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i i l 第二章单轴双输送低比转速离心泵的水力设计与样泵研制7 2 1 水力设计方法7 2 1 1 复合叶轮的水力设计7 2 1 1 1 设计原理8 2 1 1 2 设计方法9 2 1 2 蜗壳的水力设计1 0 2 1 - 3 吸水室水力设计1 2 2 2 样泵的设计1 3 2 2 1 设计参数13 2 2 2 整体结构设计1 3 。 2 2 2 1 两个进口、出口的布置一1 3 2 2 2 2 叶轮的布置1 4 2 2 2 3 密封设计1 4 2 2 2 4 泵轴设计及支撑方式。1 5 2 2 3 样泵的设计结果1 6 2 3 本章小结1 8 第三章单轴双输送低比转速离心泵的数值模拟研究2 0 3 1 数值模拟计算方法2 0 3 1 1 控制方程组2 0 3 1 2 湍流模型2 1 3 1 3 离散空间法2 2 1 l 2 3 3 5 6 3 1 4 时间离散格式一2 3 3 1 5 隐式残差光顺2 4 3 1 6 多重网格技术2 5 3 2 几何模型与计算网格一2 6 3 3 边界条件一2 9 3 4 数值模拟结果分析3 0 3 4 1 吸水室流场分析3 0 3 4 2 复合叶轮流场分析3 3 3 4 3 蜗壳流场分析3 9 3 5 数值模拟性能预测4 5 3 6 本章小结4 6 第四章单轴双输送低比转速离心泵的试验研究4 8 4 1 试验内容与试验方法一4 8 4 1 1 试验内容4 8 4 1 2 试验方法4 8 4 2 试验系统。5l 4 2 1 试验装置5l 4 2 2 流量调节与测量5 2 4 2 3 压力测量5 3 4 2 4 轴功率测量5 4 4 2 5 转速测量5 5 4 3 试验结果分析5 6 4 3 试验结果5 6 4 3 2 试验结果与数值模拟比较5 7 4 4 本章小结5 8 第五章结论与展望5 9 5 1 总结5 9 5 2 展望6 0 参考文献6 1 致谢6 5 攻读硕士学位期间的研究成果6 6 v 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源与意义 第一章绪论 低比转速离心泵广泛应用于石油、化工及制药等领域输送小流量高扬程介质。本文提 出一种新型结构的单轴双输送低比转速离心泵，并对其进行了水力、结构设计及性能研究。 它是一种崭新结构，具有两套独立的过流部件，包括两个进口，两个出口，单轴可以实现 两种介质的输送。 流程工业生产中所需原料、过程产品、废料等的种类较多，而且对输送参数控制严格， 工作条件苛刻，因此现行的一般做法是一种介质就需要完整的一套输送泵系统。随着工艺 流程的细化、复杂化和生产规模的增加，现代的流程工业装置中所需的泵系统越来越多， 系统结构也越来越复杂，这些都对装置的维护、安装、控制、操作、安全等带来很大问题， 影响到整体的稳定性。很多工况条件下，需要用并联离心泵来输送两种不同的介质，如化 工生产过程中的反应装置的两种介质同时输送，石油化工装置中的两种不同介质达到一定 压力和流量下的混合反应等。同时输送两种介质的单轴离心泵与并联离心泵相比，其只需 要一个轴系和一个电机，单轴两边叶轮转速完全相同，而且结构非常紧凑，体积小，减轻 了成本。 目前，随着计算机技术和流体力学等学科的发展，使得计算流体动力学( c f d ) 技术 已成为流体机械内部流动分析的主要方法之一。c f d 已成为改进设计、解决问题的强有力 工具。因此，c f d 技术为深入研究单轴双输送离心泵内部的复杂流场提供了有力手段。 由于单轴双输送离心泵是一种崭新的结构，利用单轴就可以实现两种介质的输送，目 前国内外对这种新型结构泵都没有进行研究，本文将提出单轴双输送离心泵的设计方法和 结构方案，设计并研制一台样机。在设计研究过程中，主要考虑的因素：1 ) 整体结构的 设计，两个进口、出口、叶轮的布置形式等；2 ) 机械密封可靠性，对泄漏、特别是内泄 漏必须严格避免等。本文将采用复合叶轮设计法对单轴双输送低比转速离心泵进行了设 计，确定泵的整体结构，通过数值模拟和试验研究相结合的方法，对所设计的泵的内部流 动和外部特性进行了较为全面的研究，这将为单轴双输送离心泵的进一步研制和推广应用 奠定理论基础，同时研究过程中形成一些泵水力设计和结构设计过程中一些关键技术对浙 江省及国内泵业发展具有一定的现实借鉴和指导意义。 本文得到了浙江省科技计划项目“双介质同时输送的单轴并行离心泵设计研究 的资 l 浙江理工人学硕士学位论文 助，本文提出的结构设计方案已申请国家发明和实用新型专利。 1 2 离心泵内部流场数值模拟研究现状 近年来随着计算机技术和计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的发展，用 数值模拟的方法研究离心泵内部流动，进行叶轮的选型和设计已成为现代水泵技术的重要 方法之一。离心泵内部的数值模拟，已由无粘性发展到粘性，由二维、准三维发展到全三 维【。 ( 1 ) 无粘性数值模拟 在早期的研究中，数值模拟的方法主要将离心泵叶轮内部的流动简化为二维不可压势 流。奇点面元法是该时期最早运用于离心泵叶轮内部流场计算的方法之一。1 9 5 2 年，吴仲 华教授提出的两类相对三元流面理论，把一个复杂的三元流动问题分解为两类流面( 两流 面和& 流面) 流动问题，通过两类流面得迭代计算求得流道内的三元解，降低了维数使得 数学处理和数值计算大为简化1 2 】o 一些数值计算方法如曲率法f 3 叫( 准正交线法) 和准正交 面法【6 】，也应用到叶轮内部流动计算中。两类相对流面理论应使叶轮机械内流无粘数值模 拟获得迅速发展，而今已成为求解离心泵的三元流场方面重要的理论基础。y o s h i y u k in a k a s e 1 7 1 、徐洁1 8 1 和李文广【9 】应用奇点法对具有分流叶片的离心泵叶轮内部流场及长、短叶片的相 互干扰进行了数值研究。 ( 2 ) 分区考虑粘性的数值模拟 由于离心泵势流数值计算结果与真实叶轮内流动存在差异，于是数值模拟就开始综合 考虑叶轮内流的粘性、回流及旋涡对内部流动的影响。2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，开始 出现边界层势流迭代法、射流一尾流模型和涡量流函数法等方法【1 0 1 。边界层势流迭代法该 方法把离心泵流道内的液体分为无粘性的势流主流区和受粘性影响较大的边界层，对不同 的区域采用不同的控制方程和计算方法。1 9 8 0 年，m o o r ej 和m o o r ej g 就采用上述方法对 e c k a r d t 的试验叶轮进行了数值模拟，定量地给出了叶轮出口的尾迹斟1 1 】。射流尾流模型 就是指离心泵叶轮内通道内的流动基本上是由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的 射流区所组成。尾流区紧贴在叶轮的前盖板表面和叶片的吸力面上，其内流动的湍流度高， 产生的损失也大；而靠近叶片的压力面处，则是流动相对稳定，损失较小的射流区。涡量 流函数法以流函数和涡量分布函数作为整个流场内统一的控制方程，计算离心泵叶轮内部 的湍流流动【1 2 1 。 ( 3 ) 三维粘性流动数值模拟 2 浙江理工大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代，高速度、大容量计算机的出现极大的推动了计算流体力动力学的发展， 叶轮机械内部流场数值模拟进入了三维粘性数值模拟时期。目前，通过雷诺时均 n a v i e r - s t o k e s 方程结合各种湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动成为叶轮机械内部流动 数值模拟的主要方法，常用的湍流模型主要有零方程模拟、一方程模型和两方程模型，此 外，大涡模拟( l e s ) 1 3 啪1 也是目前研究和应用的热点之一。 m a j i d ik 1 1 7 1 基于标准的加双方程湍流模型对离心泵进行了非定常计算，计算结果显示 了叶轮与蜗壳间流场的非定常性。b a o s h a nz h u 1 8 】对有径向导叶和离心叶轮相互干涉情况进 行了非稳态模拟，对于叶轮出口和导叶进口的周向不均匀性进行了分析。b y s k o v 1 5 1 采用 大涡模拟方法对6 叶片叶轮进行了数值模拟。数值结果表明，在设计工况点叶轮内部流场 稳定，没有出现大的分离现象；在小流量点下，在流道内部出现了一个相对涡流。g o n z a l e z j 等采用标准肛s 湍流模型对蜗壳和叶轮间的相互作用进行了非稳态的数值模拟研究。何 有世【2 0 1 采用雷诺时均方程和修正的加湍流模型，应用压强连接的隐式修正法( s i m p l e c ) 算法对偏置分流叶片离心泵叶轮的内部流场进行了数值模拟，得出了分流叶片偏向吸力侧 时，叶轮内的速度分布、压力分布都更加趋于合理。崔宝玲【2 1 捌采用n a v i e r - s t o k e s 方程和 s p a l a r t - a l l m a r a s 湍流模型对具有长、中、短叶片的复合叶轮进行了数值模拟，数值模拟结 果表明中、短叶片可以有效增加叶轮出口吸力面的压力，阻止流液的脱硫，并通过试验验 证了叶轮流道内的回流是影响低比转速离心泵效率和不稳定的一个重要原因。李昌富【2 3 1 采用非正交变换思想和紊流的肛s 模型，提出了计算蜗壳内二维不可压紊流流动的数值方 法，该方法适用于设计工况和非设计工况下的蜗壳流场分析。杨敏官等1 2 4 1 基于雷诺时均化 得n s 方程和标准矗的离心泵叶轮内部湍流流动进行了数值计算，并肩计算结果与p i v 试验 结果进行了比较。郭鹏程等口5 舶1 采用加两方程湍流模型封闭的相对定常雷诺时均方程求 解，详细的分析了叶轮内部、叶轮与蜗壳之间的及蜗壳内的流场分布。 1 3 低比转速离心泵的研究现状 1 3 1 低比转速离心泵水力设计方法概述 低比转速( ，2 8 0 ) 离心泵具有流量小、扬程高的特点，在石油、化工、航空航天、冶金、 制药及轻工业等领域有着广泛的应用。对于低比转速离心泵要实现高扬程，可增大叶片出 口角尼和叶轮直径晚、提高转速力及增加叶片数z 等。但增大叶片出口角尾，则会导致叶片 包角减小，叶片变短，流道狭长，使流道扩散严重；叶轮直径瑰增大，会导致离心泵的圆 盘损失增大；过高的转速会增大叶轮内流液受到的哥氏力和离心力，叶片进口容易产生二 3 浙江理工大学硕士学位论文 次回流，叶片出口压力面与吸力面的速度梯度增大，易产生射流一尾流结构等；过多的叶片 数z 则会增加叶片进口的排挤，导致低比转速离心泵性能下降。对于离心泵的设计方法， 传统的方法是建立在一元理论和相似理论基础上的速度系数法和模型换算法，且速度系数 设计方法的各项系数都是在比转速大于3 0 和转速低于3 0 0 0r m i n 的工况下取得的，因此低比 转速离心泵的设计就不能完全照搬现有的速度系数系数法【2 7 1 。此外，按传统方法设计的低 比速离心泵外特性会出现小流量工况易产生不稳定、扬程流量曲线易出现驼峰、效率偏低、 功率流量曲线随流量增大上升急剧，在大流量区电机易过载等问题。国内学者们从上世纪 7 0 年代起就对比转速离心泵的设计方法开展了大量的实验研究，逐步形成了加大流量设计 法、无过载设计法、面积比设计法和短叶片偏置设计法等方法1 2 8 - 3 0 1 ，并对这些设计方法进 行了进一步的发展和完善。 ( 1 ) 加大流量设计法。加大流量设计法目的是为了提高低比转速泵的效率。低比转速 离心泵的效率随流量和比转速的增加而增加，对给定的设计流量和比转速进行适当放大， 用放大参数设计低比转速离心泵，可以使低比转速离心泵的效率有较大幅度的提高，同时 也提高了低比转速离心泵的平均效率。因此，加大流量设计法的实质是通过设计一台具有 较大流量的大泵，使其运行在较小流量处作小泵使用 2 8 1 。其主要措施包括：增加叶片出口 宽度b 2 、长叶片出口角统、泵体喉部面积e 、减小叶轮外径d 2 和减少叶片数z 等。但加大 流量设计法会存在轴功率增大；在大流量区运行易过载；扬程曲线易出现驼峰等问题，同 时大泵小用本身也增加了制造成本。 ( 2 ) 无过载设计法。无过载设计是为了解决低比速泵在大流量区运行易过载的问题而 产生。低比转速离心泵一般在最高效率点的流量右侧达到最大轴功率，有时在零扬程处， 根据设计工况点确定电动机的配套功率显然是不合理的，因此希望最大轴功率位置尽可能 接近设计点。因此，通过减小尾、b 2 、r 等参数，设计出具有陡降扬程曲线和饱和轴功率 特性的离心泵，保证在设计点附近轴功率最大。但无过载设计法设计的叶轮流道较狭窄， 包角较大，不利于铸造，且效率下降。 ( 3 ) 面积比原理设计法。面积比原理是根据不同的设计要求寻找叶轮与泵体的最佳匹 配。该方法是由英国著名泵专家a n d e r s o n 【3 1 】在1 9 3 8 年提出的。面积比原理设计法把叶轮与 泵体作为一个整体考虑，将叶轮叶片间的出口过流面积和蜗壳喉部面积之比是决定泵的扬 程和效率等性能指标的重要参数。其方法是综合考虑了设计参数、经济性、工艺性和可靠 性等各方面的的优化设计。砸积比原理设计法根据的y 值的变化而有所不同，如果y 值过小 时，泵虽然是无过载的，但效率相对便低，而且对泵的加工业造成了困难；相反，当y 值 4 飞 浙江理工大学硕士学位论文 过大时，泵效率较高有所提高，但轴功率却可能是过载的。 ( 4 ) 复合叶轮设计法。复合叶轮设计法是通过设簧分流叶片以此来改善叶轮及泵体内 的流动分布，提高泵的效率。其实质是通过改变叶轮内的度和压力分布，使叶轮获得良好 的水力性能。由于叶片对流液的做功不均匀，叶轮流到内容易发生脱流和边界层分离现象， 通过设置短叶片，对非工作面出口附近的流液起了加工作用，以阻止脱流的产生和发展， 同时复合叶轮进口叶片数较少，增大了进口排挤系数。因此复合叶轮可以有效地提高低比 转速离心泵的整体水利性能。 综上所述，加大流量设计法、无过载设计法和面积比原理设计法分别是针对效率、无 过载、叶轮与泵体匹配等方面提出的，但存在较大的局限性。而复合叶叶轮设计法理念则 从改善叶轮内部流场分布，通过在叶轮出口处设置分流叶片，有效地防止尾流的产生和发 展，叶轮获得良好的水力性能，从而增加泵扬程、提高泵性能。 1 3 2 复合叶轮离心泵研究现状 由于复合叶轮具有有效阻止涡流及脱流的产生和发展、改善叶轮流到扩散程度并能够 提高扬程系数的优点，国内外很多学者对此进行了大量的研究。最早提出复合叶轮结构的 是前苏联学者n px i o h e h k o b ，认为复合叶轮的实质是两级叶轮，在第一级叶轮的流 道内，流液的单位能量的增加主要以压力的形式，到了从第一级叶片前弯过渡到第二级短 叶片间的流道，随着流液与叶片的相互作用急剧增加，液流的单位能量以动能的形式迅速 增加【3 2 】。美国的s s m e ( s p a c es h u t t l em a i ne n g i n e ) 航天飞机主发动机和日本的l e 一5 火箭发 动机涡轮泵也采用了复合叶轮的结构【3 3 1 。b e c e a o b 3 4 研究指出，对低比速离心泵可通过增 大出口角尼和增加分流叶片来改变叶轮几何形状，能保证在不降低泵效率的前提下大大提 高泵的扬程。x f l o i i c h k c b 3 5 的研究也获得了类似的结论。f j d e j o n g 3 6 1 等人对带有不同长度 短叶片的叶轮进行了比较研究，结果表明适当的短叶片偏置将使质量流量分布得更均匀。 在7 0 年代，博山水泵厂鲫就曾对离心泵采用分流叶片进行研究。周德峰p 8 1 研究指出， 采用双级叶轮并加大尾，对提高扬程有明显效果，短叶片和前弯起点推荐( o 6 5 o 7 5 ) ) 2 ， 尼= 7 0 。- 9 0 。认为分流叶片分布圆为( 0 6 5 - - 4 ) 7 5 ) d 2 ，叶片出口角p 2 - - 7 0 。9 0 。时，对提高扬程 有明显效果。查森3 9 】在研究提高低比转速离心泵效率时提出了超短叶片偏置设计法，短叶 片的进口直径胪( 0 7 5 - 0 8 5 ) d 2 。袁寿其等眇吨1 对低比转速离心泵叶轮短叶片偏置的基本原 理进行了研究，基于尾流区的速度梯度分析，认为短叶片的偏置可以有效防止尾流的产生 和发展，防止长叶片负压面上流体的分离和脱流，减少轴向漩涡运动，改善叶轮内的速度 5 浙江理工大学硕士学位论文 分布。其中文献 4 2 1 采用正交试验，详细研究了分流叶片的各几何参数对泵性能的影响， 得出了当分流叶片向长叶片负压面偏最( 0 4 e ) 、分流叶片向长叶片负压面一侧偏转( 3 0 1 0 。) 和进1 3 直径2 d ：( 0 7 ) d 2 时，泵的性能有明显改善。陈松l j j 4 3 1 对不同偏置的低比转速复 合叶轮离心泵进行了p i v 研究。通过对叶槽内相对速度矢量、速度等值线的分析，揭示了 短叶片不同叶片时的速度分布规律；当短叶片进口相对出口向吸力面偏转时，叶片出口速 度分布较均匀：泵的扬程与流量曲线明显右移，大流量时效率显著提高。朱祖超等【州9 j 较系统地研究了长、中、短叶片相结合的复合式叶轮，提出了在复合叶轮前加变螺距诱导 轮的设计思路，总结了高速离心泵复合叶轮设计设计方法和约束条件。 1 4 本文的研究目标和研究内容 本文针对一种新型的离心泵单轴双输送低比转速离心泵进行了设计研究。单轴双 输送低比转速离心泵主要是在泵结构上的创新。采用数值计算和试验验证相结合的研究方 法，对单轴双输送离心泵内部流场进行三维湍流数值模拟，并通过外特性试验进行了验证， 以此来了解单轴双输送离心泵的内部流动情况以及泵运行的稳定性和可靠性。为单轴双输 送离心泵设计和改进提供依据。本文的研究主要包括以下几个部分： 第一章：介绍了单轴双输送离心泵的研究背景，介绍了离心泵内部流场数值模拟的研 究现状；概述了低比转速离心泵水力设计方法和复合叶轮离心泵的研究现状；在此基础上 提出了本文的主要研究内容。 第二章：给出了单轴双输送低比转速离心泵过流部件的水力设计方法；提出了单轴双 输送离心泵整体结构的设计方案，给出了对称式的整体结构布局、叶轮及轴端的密封方式 以及双端支撑方式等；并采用复合叶轮设计法设计了一台单轴双输送低比转速离心泵。 第三章：介绍了本文数值模拟所采用的数值方法。采用雷诺时均n a v i e r - s t o r k s 方程和 s p a l a r t - a l l m a r a s 湍流模型对单轴双输送离心泵进行了三维定常数值模拟。主要分析了吸水 室、复合叶轮、蜗壳内部流场；中短分流叶片的作用；以及蜗壳对于叶轮内部流动的影响。 第四章：对单轴双输送离心泵的试验提出了试验方案，进行了试验研究；并将试验结 果与数值模拟结果进行了比较。 第五章：通过对单轴双输送离心泵的数值模拟和试验研究，得出了若干结论，并对目 前存在的问题以及今后的工作提出了具有指导意义的建议。 6 浙江理工大学硕士学位论文 第二章单轴双输送低比转速离心泵的水力设计与样泵研制 由于单轴双输送低比转速离心泵是一种崭新的结构，在结构设计方面，目前国内外都 没有相同结构的离心泵，比较类似的是在航天动力装置使用的液体火箭发动机涡轮泵系 统，但其主要的动力传输也是两轴结构，并且相关文献较少。双吸泵在结构上与单轴双输 送低比转速离心泵比较相似，具有“背靠背”双叶轮、两个进口，但只有一个出口，不能 进行两种介质的输送。在结合单吸离心泵和双吸泵的结构特点上，对双介质样泵的结构上 进行了设计。 目前，低比转速离心泵一直存在着效率较低、扬程曲线易出现驼峰以及轴功率过载等 问题。由于传统的以一元理论和相似理论为基础建立的速度系数法和模型换算法在设计低 比转速离心泵时具有一定的局限性，及工作环境以及泵自身性能的限制，小流量泵在效 率、可靠性以及稳定性等方面都需要进一步改进。在这种情况下，一些针对低比转速离 心泵的设计方法，例如加大流量设计法、无过载设计法、面积比理论以及复合叶轮设计 法等方法逐渐发展起来。复合叶轮设计法的实质是通过改变叶轮内的速度和压力分布，使 叶轮获得良好的水力性能。由于低比转速离心泵叶片及其所形成的过流流道长、包角大、 又出口处扩散较大，叶片对液流的做功不均匀，叶轮流道内容易发生脱流和边界层分离现 象。通过设置短叶片，可以对非工作面出口附近的液流起到约束和做功的作用，以阻止脱 流的产生和发展。同时，又由于短叶片是在叶轮出口处加入，这样使复合叶轮进口处的叶 片数较少，由此，即增大了进口排挤系数，也减少了表面摩擦：又由于出口叶片较多，增 大了有限叶片数修正系数，从而提高了离心泵的理论扬程以及整体水力性能，是低比转速 离心泵很有发展前景的设计方法。 本章给出了单轴双输送低比转速离心泵过流部件的水力设计方法，提出了整体结构的 设计方案，并采用复合叶轮设计法设计了一台单轴双输送低比转速离心泵。 2 1 水力设计方法 2 1 1 复合叶轮的水力设计 采用复合叶轮设计法对单轴双输送离心泵叶轮进行设计，复合叶轮的叶片形式为长、 中、短相问的形式。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 1 1 设计原理 从离心泵的欧拉方程 玩= 丝( 吻一2c d t p 2 ) 一u l c u l2 - ( 0 式中矾r 理论扬程( 功； 地出口圆周速度( i 呐) ，= 坐6 0 ； 像一叶片出口角( 。) ； 卜出口绝对速度的轴面分速( r 以) ，a m 2 = 瓦丽q ，矿2 1 一鲁，其中瓯z 为叶片出口厚度。 可以看出，增大叶片出口角屈可以有效提高离心泵的扬程系数，但应过大会导致叶轮 流道扩散严重，使叶轮流道产生脱流，这也是导致低比转速离心泵小流量不稳定性。通过 流场分析和流动测试的研究，离心叶轮内的流动主要由相对速度较小的尾流区和近似于无 粘性的射流区所组成，如图2 1 所示。在叶轮流道内，由于叶片对流液受做功不均匀，容 易导致叶片出口处非工作面出现边界层产生分离的现象，从而使液流在边界层附近产生回 流和脱流。在小流量下，回流和脱流变得更强，是流液能量损失增大。在离心泵的外特性 曲线上表现为扬程流量特性线存在正斜率上升段【2 刀。 通过在叶轮流道内容易产生回流和脱流的部位增添短叶片，可以有效改善叶轮流道内 的液流速度分布情况，如图2 2 所示。通过设置短叶片，使得靠近长叶片出口处非工作面 附近的流液受到短叶片加工作用增加，有效阻止了边界层的分离和脱流的产生，同时出口 总叶片数增加，就可以采用较大的叶片出i = i 角，因此复合叶轮具有扬程系数较高的优点。 图2 1普通叶轮流道内的流动情况图2 2 复合叶轮流动内的流动情况 8 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 1 2 设计方法 复合叶轮设计的主要参数为进口叶片数g l 和总叶片数z t ，进出口直径d l 和d 2 ，叶片 进出口安装角l 和屈，叶片进出1 3 宽度6 l 和如，以及短叶片起始处的直径d ，和安装角屈。 ( 1 ) 叶片数z i 和z t 对低比转速离心泵，c 普费莱德纳尔提出了如下的计算公式： z ：黑s i n ( 华) 2 - ( 2 ) 么一d l 2 。 对于简单复合叶轮，其进口叶片树z l 应取取小值，这样可减少叶片对流液的入口排挤， 并降低复合叶轮的入口动压降，从而提高复合叶轮的气蚀性能。因此进口叶片数z l 可取： g l = 4 - - - 6 2 一( 3 ) 复合叶轮选取较多的出口叶片数有利于避免液流在叶轮流道里出现负速度，可以改善 并稳定液流的流动，同时也有利于提高叶轮的扬程系数。因此在加工条件允许的情况下其 总的叶片数z t 应取较大值。为便于加工，g t 应取进口叶片数的整数倍，即： g t = k z l七= 1 , 2 ，3 2 一( 4 ) ( 2 ) 叶片进出口直径d l 和伤 复合叶