（流体机械及工程专业论文）无过载离心泵性能优化设计与内部流场分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 低比转数离心泵在石油化工、农业排灌、城市供水、航空航天等方面有着极 其广泛的应用。低比转数离心泵有一明显的特点：轴功率曲线随流量的增大而急 剧上升，最大轴功率与设计点功率之比远大于一般离心泵的相应值。由于泵的实 际运行工况点是经常变动的，该特性很容易在大流量区引起配套电机过载。为了 实现无过载性能、保证泵的运行可靠性，国内外专家学者对高效无过载离心泵有 了一定的研究。本文在前人研究成果的基础上，采用改变叶轮几何参数和堵塞叶 轮平面流道相结合的方法对无过载离心泵进行了优化设计。主要工作和研究成果 有： 1 在前人对低比转数离心泵水力设计理论及方法研究成果的基础上，确定了 一种改变叶轮几何参数和堵塞叶轮平面流道相结合的无过载离心泵性能优化设计 方法。 2 利用f l u e n t 软件对离心泵性能进行预测，分析了叶轮流道堵塞量对低比转 数离心泵性能的影响。研究发现，随着叶轮流道堵塞量的增加，泵扬程逐渐降低， 效率在小流量区域上升，在大流量区域下降，节流效应越来越明显，泵的轴功率 逐渐下降。 3 对两叶片间流道有效部分出口和进口面积之比昂巧与低比转数离心泵性 能的关系进行了研究。通过对不同昂e 的低比转数离心泵进行性能预测发现， 从泵的外特性曲线上看，减小昂巧会使扬程曲线变得陡峭，降低泵的轴功率， 使轴功率曲线变得平坦。选择合适的已f , ，可以获得较好的泵外特性曲线。 4 采用改变叶轮几何参数和堵塞叶轮平面流道相结合的无过载离心泵性能优 化设计方法，对i s 5 0 3 2 1 6 0 型无过载离心泵进行优化设计。性能试验结果表明： 采用该方法可以在实现无过载性能的前提下，有效地增加无过载离心泵的扬程， 明显地提高其效率，改善无过载离心泵的性能。通过性能试验，验证了该设计方 法的可行性。 关键词：无过载离心泵，轴功率，效率，堵塞流道，叶轮 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o w 删cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m ph a sav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h e p e t r o c h e m i c a l ，a g r i c u l t u r ei r r i g a t i o n , u r b a nw a t e rs u p p l y , a v i a t i o na n ds p a c e l o ws 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 h a sas i g n i f i c a n tf e a t u r e ：p o w e rc a l v es h a r p l yr i s e 丽mt h ei n c r e a s e o ff l o wr a t e ，t h er a t i oo fm a x i m u m p o w e ra n dp o w e ro fd e s i g n - p o i n ti sm u c hl a r g e rt h a nt h e c o r r e s p o n d i n gv a l u eo fc e n t r i f u g a lp u m p si ng e n e r a l s i n c et h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o fp u m p sa l ec o n s t a n t l yc h a n g i n g ，t h i sf e a t u r ec o u l de a s i l yc a u s es u p p o r t i n ge l e c t r i c a l o v e r l o a di nl a r g ef l o wa r e a i no r d e rt oa c h i e v en o n - o v e r l o a dp e r f o r m a n c e ，e n s u r et h e r e l i a b i l i t yo fp u m po p e r a t i o n , d o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t sa n ds c h o l a r sh a v eh a ds o m e s t u d y0 1 1t h eh i g h l ye f f i c i e n tn o n o v e r l o a dc e n t r i f u g a lp u m p b a s e do nr e s u l t so fp r e v i o u s s t u d i e s ，t h i sp a p e rm a i n l yo p t i m a ld e s i g no nn o n - o v e r l o a dc e n t r i f u g a lp u m p sb yam e t h o d w h i c hi n t e g r a t i n gc h a n g e dg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e ra n dt h ed o g g e df l o w p a s s a g ed e s i g n t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 b a s e do nr e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s ，ad e s i g nt h o u g h to fn o n - o v e r l o a dc e n t r i f u g a l p u m p sw h i c hi n t e g r a t i n gc h a n g e dt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e ra n dt h e c l o g g e df l o wp a s s a g ed e s i g nw a sc o n f i r m e d 2 u s i n gs o f t w a r eh u e n tt of o r e c a s tt h ep e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lp u m p s ，t h er a t i oo f d o g g i n gf l o wp a s s a g ew h i c ha f f e c t e dt h el o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pp e r f o r m a n c e w a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o w nt h a t ：w i t ht h er a t i oo fc l o g g i n gf l o wp a s s a g ei n c r e a s e d , t h eh e a dd r o p p e d ；t h ee f f i c i e n c yf o l l o w e du pi ns m a l lf l o wa r e a , d e c r e a s e di nt h el a r g ef l o w r e g i o n s ；t h et h r o t t l i n g e f f e c tb e c a m em o r ea n dm o r eo b v i o u s , t h ep o w e rg r a d u a l l y d e c r e a s e d 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a t i oo fe f f e c t i v ea r e ap r o p o r t i o nb e t w e e ni n l e ta n do u t l e t a m o n gt w ob l a d e sf h f , a n dp e r f o r m a n c eo fl o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pw a s r e s e a r c h e d u s i n gs o f t w a r ef l u e n tt of o r e c a s tt h ep e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lp u m p sw h i c h h a v et w od i f f e r e n t f n f , ，a u t h o rf o u n dt h a t ：f r o mt h ep e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lp u m p s ， r e d u c i n g 品f , w o u l dm a k eh e a dc a l v eb e c o m es t e e p ，r e d u c et h ep u m pp o w e ra n d m a k es h a f tp o w e rc u r v eb e c o m e sf l a t c h o o s i n gt h ef i g h t 昂f , w i l lg e tag o o d p e r f o r m a n c ec u r v e 4 o p t i m a ld e s i g n i n g o ni s 5 0 - 3 2 1 6 0n o n - o v e r l o a dc e n 蛐g a lp u m pw a sc a r r i e do u t 江苏大学硕士学位论文 b yi n t e g r a t i n gc h a n g e dt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e ra n dt h ed o g g e df l o w p a s s a g e s t h er e s u l t so ft h ep e r f o r m a n c et e s ts h o w e dt h a t ：t h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y i n c r e a s eh e a do fn o n - o v e r l o a dp u m p ，o b v i o u s l yi n c r e a s ee f f i c i e n c y , i m p r o v et h eh y d r a u l i c p e r f o r m a n c eo fn o n - o v e r l o a dp u m po nt h ep r e m i s eo fa c h i e v i n gn o n o v e r l o a dp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h ep e r f o r m a n c et e s t ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nm e t h o dh a db e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：n o n o v e r l o a dp u m p ，p o w e r , e f f i c i e n c y , c l o g g e df l o wp a s s a g e ，i m p e l l e r m 学位论文版权使用授权书 本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，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月日 叫铂堋蜥 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内 容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 低比转数离心泵因具有流量小扬程高的特点，而广泛应用于石油化工、农业 排灌、城市供水等方面【1 1 。随着应用要求的提高，这类泵向比转数越来越低的方向 发展。但正是低比转数离心泵小流量高扬程的特点决定了其与一般离心泵迥异的 结构与水力特性【2 1 ：轴功率曲线随流量的增大而急剧上升，最大轴功率与设计点功 率之比远大于一般离心泵的相应值。由于泵的实际运行工况点是经常变动的，该 特性很容易在大流量区引起配套电机过载。为此生产厂家往往选择更大功率的配 套电动机，来避免电动机过载。这种“大马拉小车的现象，对电力资源造成了 浪费。所以采取措施，降低离心泵的轴功率，实现无过载特性可以保证机组的低 成本和可靠运行【3 1 。 针对低比转数离心泵在大流量工况下电机易过载的特点。国内外许多专家进 行了大量卓有成效的研究工作，逐渐形成了一套比较成熟的无过载理论与设计方 法。离心泵的无过载性能与高效率在一定程度上是矛盾的。在无过载离心泵设计 中，为了实现无过载性能、保证泵的运行可靠性，宁愿牺牲一些泵效率。国内外 专家学者对高效无过载离心泵有了一定的研究。本文在前人研究成果的基础上， 对提高无过载离心泵效率，改善无过载离心泵性能进行研究。为无过载离心泵的 优化设计提供了参考。 1 2 国内外研究现状 针对低比转数离心泵轴功率曲线随流量增大而急剧上升，从而使其在大流量 区域易引起配套电机过载的这一特点，国内外许多专家学者在实现低比转数离心 泵全扬程内电机无过载方面做了许多研究。 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪3 0 年代，a n d r e r s o n l 4 1 在研究离心泵的面积比理论时就指出，所有离心 泵均在理论扬程为u ；2 9 处轴功率达到最大值。其中，u ；为叶轮出口圆周速度。 之后，a n d e r s o n 提出了离心泵的面积比理论。该理论提出：离心泵的最高效率是 1 江苏大学硕士学位论文 由叶轮和蜗壳共同决定的。w o r s t e r l 5 1 首先提出了与实际试验相一致的数学解释，从 而第一次从理论上证明了a n d e r s o n 所提出的面积比原理的科学性。 r 本于2 0 世纪5 0 年代初丌始研究饱和轴功率性能，寺f f l 进等曾对口径从 7 5 r a m 至4 0 0 m m ( 电机功率6 0 0 h p ) 的各种透平泵进行了设计和制造，并认为，比转 数越高，越易获得饱和轴功率性能【6 】。 在引入i s o 国际标准后，由于泵的尺寸受到限制，以及为了提高泵的效率， 人们竞相采取各种措施，如加大叶片出i - i 安放角历、叶轮出i - - ! 宽度坟、泵体喉部 面积f 和减小叶轮外径功等。在提高泵效的同时，使离心泵( 特别是低比转数离 心泵) 的轴功率更不具有饱和性。近年来，随着科学技术的发展和可靠性意识的 加强，在许多应用场合，为了提高运行可靠性，人们又重新重视这种具有饱和轴 功率性能的离心泵。例如，g i a n f r a c of a 鲫a n i 用认为，与水泵相匹配的电机应考虑 泵可能的最大轴功率，因为在许多应用场合泵的运行工况是经常变化的，尤其对 普通的农用泵其运行工况点是未知的。因此，泵与电机的组合应能在最恶劣的条 件下工作，还应考虑一个安全余量，因为长期运行后泵效率将降低而轴功率将增 加。并且还认为，为了获得饱和轴功率性能及提高运行可靠性，在一些场合宁愿 牺牲一些泵效率而改善轴功率性能。 1 2 2 国内研究现状 在无过载离心泵研究方面，国内学者也取得了较大的进展。我国泵行业从2 0 世纪8 0 年代初引入面积比原理以来，在设计和预测泵性能方面也做了不少卓有成 效的工作，如郭自杰 s l ，1 9 8 2 ；尹启荣【9 】，1 9 9 9 ；高章发等【1 0 l ，2 0 0 2 ；孔德明【1 1 】， 2 0 0 2 ：刘在伦【1 2 , 1 3 ，2 0 0 2 ，2 0 0 7 ；杨军虎【1 4 l ，2 0 0 6 。他们从理论和实践上充实了 面积比理论。 沈阳水泵研究所编写的叶片泵设计手册指出，历越大，水力功率曲线上 升得越急剧。故从得到较平缓的水力功率曲线的角度出发，希望采用较小的厦， 对离心泵推荐履= 1 5 。一4 0 。，常用历= 2 0 。3 0 。这可能是国内改善离心泵轴功率 性能方而的最早思想。龚传炳【1 5 】认为，低比转数微电泵取小的孱、如、e 和较少 的叶片数，可使泵的扬程曲线变陡，轴功率曲线变得平坦，从而降低在大流量区 的功率，扩大扬程使用范围。严敬【1 6 1 7 】推导出了一数学模型以优化叶轮几何参数， 2 江苏大学硕士学位论文 它能将泵的轴功率降低到最小可能值，为低比转数离心叶轮参数计算提供了一种 新的方法。陆伟刚、刘向东【1 8 1 推导出了利用叶轮已知参数计算离心泵最大轴功率 的公式及最大轴功率工况下流量和扬程的计算公式。关醒儿1 1 9 1 等人首先提出了全 扬程泵这一概念，并列举了全扬程泵的设计要点和设计实例。袁寿其经过长期深 入的研究，进一步修正和完善了国外离心泵饱和轴功率性能的理论【刎，在大量试 验研究【2 1 冽的基础上，创建了无过载离心泵理论与设计方法体系。并对近年来的 研究作了阶段性的总结。 随着测试技术的发展和试验研究的深入，离心叶轮内部的数值模拟工作也开 始逐步展开。并且随着计算机及流体力学的发展，离心泵内流场的数值模拟，已 由无粘性发展到粘性，f i t - - 维、准三维发展到三维全流场【2 5 。4 1 。更为复杂的计算 方法也开始出现，包括势流一边界层的迭代解法【鲫、射流一尾流模型f 蚓、涡量一 流函数法【3 7 】等。 这些新的计算方法的成熟和标准化，已经逐步发展成为通用商业软件，如 f l u e n t 、s t a r c d 、c f x 、n u m e c a 等，这些商用软件极大地推动了流体机械数 值模拟工作的开展。通过这种“数值试验 ，可以充分认识无过载离心泵内部的 流动规律1 3 8 3 9 】，为更好的选择离心泵设计参数提供了一些帮助。利用商业软件 f l u e n t | 4 0 - 4 3 j 可以对所设计的泵进行性能预测，在降低设计成本，缩短开发周期以及 提高自主开发能力等方面都起到了重要作用。 目前，泵行业已有不少应用无过载理论研制出新产品的报道1 4 5 1 ，并已将该理 论成功应用于低比转数离心泵式渣浆泵【蛔、低比转数多级离心泵【钥、离心式排污 泵【髑】等。 1 3 本文主要研究内容 本文在前人研究的基础上，采用改变叶轮几何参数和堵塞叶轮平面流道相结 合的设计方法，对无过载离心泵进行优化设计。主要研究内容有： 1 分析低比转数离心泵设计方法，比较各种方法的不同。探讨提高无过载离心 泵效率、改善无过载离心泵性能的无过载离心泵优化设计方法。 2 分析流道堵塞量对低比转数离心泵性能和内部流场的影响。堵塞量分为部分 堵塞叶轮平面流道五分之一、四分之一、三分之一以及完全堵塞四种形式。 3 江苏大学硕士学位论文 3 分析研究两叶片间流道有效部分出口和进 j 面秘比对低比转数离心泵性能 和内部压力脉动的影响。分别对两叶片问流道有效部分出u 和进口面积比为1 4 、 1 2 、1 1 的i 种小同形式叶轮的离心泵进行研究。 4 采用改变叶轮几何参数和堵塞叶轮平面流道相结合的设计方法，对 i s 5 0 3 2 1 6 0 型无过载离心泵进行优化设计。并通过性能试验，验证该方法的可行 性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章低比转数离心泵设计方法 低比转数离心泵在特性上呈现效率偏低，流量一扬程曲线易出现驼峰，小流 量工况易产生不稳定，流量一功率曲线随流量增大上升急剧，在大流量区电机易 过载等问题。 为了改善低比转数离心泵性能，国内学者们从2 0 世纪7 0 年代起就丌展了试验 研究，已研制出一批水力性能较好的低比转数离心泵。目前低比转数离心泵设计 方法主要包括加大流量设计法、无过载设计法、面积比设计法等。 2 1 加大流量法 加大流量法的指导思想是：对给定的设计流量和比转数进行放大，用放大了 的流量和比转数来设计一台较大的泵。由于较大泵的效率7 7 线基本上包络了较小泵 的7 7 线( 在小流量区则相反) ，如图2 1 所示，故不但提高了最高效率( 0 ) 和设计点效率( 0 仇 7 ) ，而且还提高了整个使用范围内的平均效率。 流量q 图2 1 加大流最法设计原理图 加大流量设计的基本方法是，在大量试验的基础上，对现有有关设计系数进 行修正，使之适合于低比转数泵的加大流量设计。然后用修正过的系数，综合各 种因素，设计出较为合理的流动组合和几何参数组合，用公式表示为： 5 江苏大学硕士学位论文 由表2 1 、2 2 可以看出，流量越小，放大系数k 越大，比转数越低，放大系数 疋越大。 加大流量设计中主要几何参数的选择原则是尽量减小各种损失，提高泵的效 率。泵内的损失主要有：机械损失、容积损失和水力损失。对低比转数离心泵而 言，机械损失主要是圆盘摩擦损失，它与叶轮外径的5 次方成正比，且比转数越低， 圆盘摩擦损失越大。而容积损失主要是口环处的间隙泄露损失及隔舌处的环流损 失。提高泵效率的具体措施有： 1 减小水力损失，设计高效叶轮，尽可能减少整个流道的摩擦损失、撞击损 失、扩散损失和其它局部损失。 ( 1 )圆柱形叶片改为扭曲叶片，减小冲击损失。如果用圆柱形叶片，叶片 在叶轮进口处与前盖板相交的壁角0 将较小，如图2 2 所示，此时液流以a 向进入 与叶片形成十分不利的角度并产生漩涡区。为了防止这种现象，可以用扭曲叶片 来改善这个条件，见图2 3 ( a ) ，这种进口边为直线形的叶片已经成功地用于低比 转数的叶轮设计中；对于高比转数和大叶轮，叶片进口边可以改为曲线形的，如 图2 3 ( b ) 所示，这样可以兼顾到大的壁角0 和流入方向a 。设计时一般的原则是 将擘角矽取大值，以减小水力损失，这就是设计时要遵循的大壁角规则。 6 江苏大学硕士学位论文 ( a )c o ) 图2 2 圆柱形叶片进口边图2 3 扭曲叶片进口边 ( 2 ) 选择较大的叶片出口安放角历，增加流道通过能力，减小水力损失。 ( 3 ) 选择较大的叶片出口宽度玩，增加叶轮出1 ：3 宽度，减小叶轮出1 5 1 绝对速 度，从而减小压水室中的水力损失。 ( 4 ) 叶片向吸入口延伸并减薄，使液体提早受到叶片作用，可减小叶轮外径， 也可以增加叶轮流道内流线的长度，减少相对扩散；但延伸要适当，过于前伸会 使入口面积过小，使叶片入口与叶片盖板相交的壁角变小，反而加大水力摩擦损 失，挤缩进口流道，对汽蚀和效率均不利。 ( 5 ) 使相邻叶片间流道有效部分出口和进口面积之比控制在1 o 1 3 范围内， 以减小扩散损失。若该比值大于1 3 ，流道扩散严重，效率下降【4 9 】。 ( 6 ) 流道的水力半径越大越好，尽可能使叶片进口截面接近正方形，以减少 摩擦损失，由水力学知道，过水断面面积和湿周的比值叫做水力半径。湿周大实 际上就是液体与壁面的接触面积大，当把流道截面从近似j 下方形变为狭长矩形时， 实质上就是让液体在狭长截面的间隙内流过，所以阻力必然大。 ( 7 ) 选取较大的泵体喉部面积e 2 减少机械和摩擦损失，提高水泵效率 ( 1 ) 轴承、填料引起的机械摩擦损失一般很小，对效率影响不大。填料密封 的机械摩擦损失比机械密封大，若能采用机械密封则更好。 ( 2 ) 提高叶轮、导叶流道表面的光洁度。若可能，最好用手持砂轮等工具对 流道表面进行打磨。这样，水力摩擦损失会明显减少。 ( 3 ) 叶轮的前后盖板表面与液体产生的圆盘摩擦损失，与叶轮外径5 次方成 7 江苏大学硕士学位论文 正比。减小叶轮外径，从而减小圆盘摩擦损失。圆盘摩擦损失与表面粗糙度大有 关系，叶轮盖板外壁应尽量光滑。 3 适当缩小各部分间隙或加长密封间隙以及采用迷宫密封等，增加泄漏阻力， 以减少容积损失。 由于加大流量设计中选择了较大的压、吃和e 等，使流量一扬程曲线变得平 坦，相同流量下的轴功率增大，如图2 4 所示，泵在大流量区运行更易产生过载现 象，这对出口管路无流量调节阀的农用泵来说非常重要。同时，泵的扬程曲线易 出现驼峰使运行不稳定。其次，当泵在小流量区运行时，由于严重偏离最优工况， 泵的效率较低。 p 0 图2 4 轴功率与流量的关系 2 2 无过载理论及设计方法 无过载离心泵是指，能在关死扬程到零扬程范围内任何工况点运行，均不发 生过载或因过载而烧坏原动机的离心泵，且在额定点，水泵的功率备用系数 k 1 0 。无过载离心泵又可称为全扬程泵、全流量泵、具有广义饱和轴功率特性 的离心泵、轴功率有极值的离心泵等。 离心泵的轴功率曲线随流量增加不断上升，而且比转数越低，轴功率曲线随 流量增加上升越快。这种轴功率特性使离心泵在大流量、低扬程工况运行时易过 载甚至烧坏原动机。降低泵轴功率、防止电机过载的措施主要有： 8 江苏大学硕士学位论文 1 泵的选用和使用 ( 1 ) 避免一泵多用，提倡一泵专用。部分用户缺乏必要的水泵常识，误以为 高扬程的离心泵在低扬程下使用会更加“安全和保险 ，殊不知此时因扬程低轴功 率反而大，可能过载。也有部分用户为了增加流量，有意使离心泵在大流量区域 工作，也容易造成配套电机的过载。所以，因尽量避免“一泵多用 而提倡“一 泵专用”。 ( 2 ) 更换窄叶轮。配备一些不同型号的叶轮，当需要扬程较低时可更换窄叶 轮，因为窄叶轮的流量较小而不至于过载。 ( 3 ) 切割叶轮外径。若所购的泵扬程偏高而实际所需要的扬程又较低时，可 一次性车削叶轮外径。根据水泵切割定律，切割前后的轴功率之比与切割前后叶 轮外径之比的4 次方成正比，即 ；= c 心。， 一= l _ 二l 咒( i ，jlz l pi 及j 4、7 由于叶轮切割后轴功率减小了p( 见图2 5 )，因而即使在大流量区域工 作也不易过载。 王 棋 零 厶 斛 惫 巷 q 8 q 流量q 图2 5 切割叶轮外径 2 装置节流 ( 1 ) 闸阀节流。就是在泵出口管路上安装一闸阀，通过关小阀门开度来改变 装置特性曲线，从而改变泵的运行工况点，这样就可减小轴功率。但是，此方法 将产生较大的“节流 损失，浪费能源。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 液压机构自动节流。这种方法的原理是，当泉的流鼍达到某一极限后， 液压机构利用反馈信息自动调节泵的流量，从而达剑限制轴功率的目的。这种方 法由于需要增加一套液j _ f i 机构，不但增加了成本，i f i j 且使用不便，不宜用于农用 泵。 ( 3 ) 采用较小的排出口径。这种方法可以理解为在泵出口装有一个开度同定 且较小的阀门，使泵不i 叮能在大流量区运行，从而避免过载。 3 选用变速原动机 泵的比例定律指出，同一台泵在转速改变前后，其轴功率之比与转速之比的3 次方成正比，即 ，；删n ，p ij ( 2 4 ) 可见，只要降低原动机转速即能限制轴功率。如图2 6 所示，当转速由n 降至 以时，泵的工况点由a 移至b ，轴功率减小了p 。但这种方法要求驱动水泵的原 动机能改变转速，或原动机与水泵之间采用能改变转速的传动装置。这类原动机 有：柴油机、汽轮机或燃气轮机、内燃机、直流电动机等。 z 棋 零 乱 辞 怒 喜 q b q 流量q 图2 6 改变转速 4 水力设计方面的措施 ( 1 ) 汽蚀调节法。根据水泵汽蚀理论，使所设计的泵在达到某一流量时产生 汽蚀，使泵的扬程、轴功率、效率等明显下降来限制泵的轴功率。此法需深入研 究叶轮进口的几何形状，但汽蚀产生的规律难以掌握。此外，泵产生汽蚀时伴随 1 0 江苏大学硕士学位论文 着振动、噪声、不稳定等现象，影响泵的工作寿命。 ( 2 ) 泵体喉部节流。所谓“喉部 意为要道，是指泵送的流体均要通过此处， 可见只要在这一要道口设置“关卡”，则能有效阻止流量增加，从而避免轴功率过 载。最简单的设“卡 办法是减小泵体喉部过流面积f ，这与选取较小的泵排出 口径是一致的，只不过设“卡地点不同而已。 ( 3 ) 设计无过载离心泵叶轮。既然排出管径和泵体喉部可以节流，叶轮作为 泵的心脏也能节流，这一能限流的叶轮我们称为无过载叶轮。其常采用的设计方 法：选取较小的叶片出口角履、叶片出口宽度吃、堵塞部分流道等。 因为低比转数离心泵一般在最高效率点的流量的右侧达到最大轴功率值，根 据该工况来确定该原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，这样泵就可以选择较小的功率备用系数。前人通过分析采用 无因次理论表示的泵性能曲线图后指出，在理论上离心泵的最大轴功率永远出现 在零流量和最大流量的中点。当叶片出口安放角届等于出1 2 1 绝对液流角时，为离 心泵轴功率出现极值的理论条件。当设计流量系数、斯托道拉s t o d o l a 滑移系数 及出口安放角履满足o = 去留屈时，就能在理论上保证泵的轴功率曲线在设计点 附近有最大值。任一台离心泵的最大轴功率值及位置由下式f 6 】预估： p 雠2 老“z 3 啦呸仍2 留色 ( 2 5 ) 式中：d 广叶轮外径5 仍叶片出口排挤系数5 离心泵圆盘损失效率。 墨修正系数，推荐墨= 1 0 1 1 。 q l 。= k j l l d 增色仉州9 2 吃仍“： ( 2 6 ) 式中：仉离心泵容积效率； 墨修正系数，推荐匠= 1 0 5 - 1 1 5 。 由于国内对无过载泵的研究处于开始阶段，还没有成熟的水力模型可供换算。 三元理论设计和优化设计也就更加困难了。较为可行的研究途径是，根据离心泵 1 1 江苏大学硕士学位论文 饱和轴功率特性产生的理论条件，推导出无过载泵的设计约束方程组。对于比转 数在8 0 2 5 0 之间的离心泵，其无过载离心泵设计约束方程组【6 】为： = 去培履 堕d=o000147彭2 2 ( 2 7 ) 增屈= 旦8 0 h o r ： 1 o y ：n d 2 b 2 r p 2 s i n f 1 2 2 0 式中：毛出口圆周速度； y _ 离心泵叶轮出口过流而积与泵体喉部面积之比。 对于比转数在2 0 。8 0 之间的离心泵，其无过载离心泵设计约束方程组【6 】为： = 2 h o t g 履 叁：0 0 0 0 3 7 5 2 以朋 d 、 鹕= 蠡0 8 5 1 o y =nd2b2q)!2s i n , 8 2 2 o 互 ( 2 8 ) 无过载离心泵设计参数和设计程序如下： ( 1 ) 给定设计参数( q 、h 、n 、r 、p 等) 。 ( 2 ) 计算比转数 他：3 6 5 1 n 7 _ x f 0 一 ( 2 9 ) 尼。= i 7 _ 一u w h 伯 ( 3 ) 由图2 7 查得k 和吃砬，由k 计算见，从而求得吃。图2 8 为无因 次系数伊和位。 ( 4 ) 由图2 9 查得。和历，使所查得的与设计点相接近。 ( 5 ) 由图2 1 0 查得。 ( 6 ) 选择叶片数z ，一般z = 3 8 ，以z = 4 为优。 ( 7 ) 叶轮其他各主要几何参数的选择、叶片绘型方法、泵的结构设计及泵体 江苏大学硕士学位论文 或导叶的设计均与普通设计方法相同。 ( 8 ) 将所选择的叶轮各主要几何参数代入约束方程组合p 蛳及q 一预估公式 进行预算，如结果不理想，应修改有关参数，直到有满意的结果。 f 由n 图2 7k 及幻见系数图 e 巳 图2 8 无因次系数妒和q n s 图2 9 流量系数和压 q 臣 江苏大学硕士学位论文 b3 ， 图2 1 0 滑移系数j 1 0 无过载离心泵在设计过程中，主要几何参数的选择原则有： ( 1 ) 叶片出口安放角履 由图2 9 可以看出，为了获得无过载性能，需要很小的屈值，这对泵的其他 性能如扬程、效率以及工艺性是不利的。前人在大量试验研究的基础上，给出了 无过载离心泵履推荐值：8 。1 5 。 ( 2 ) 叶轮外径d 2 叶轮外径砬是影响扬程的主要参数，因无过载设计中选取较小的压等，所以 应适当加大d 2 。一般比普通叶轮增加5 左右。 ( 3 ) 叶片出口宽度坟 由式2 5 可知，如越大，越大，所以在无过载离心泵设计中，因尽可能的 取较小的吃。 ( 4 ) 叶片数z 在无过载叶轮设计中，为了获得陡降的流量一扬程曲线，大幅度减少叶片数z 是有力措施之一。一般推荐叶片数为4 6 。 ( 5 ) 叶片包角秒 为了增加流量一扬程曲线的陡降程度，选取了很少的叶片数和较小的叶片出 口安放角，这样叶片的包角就较大。但包角过大，又给制造带来了不便，经过前 人的多次研究发现，包角在1 4 0 0 - 1 7 0 0 之间时泵的性能较为理想。 ( 6 ) 叶片进口角屈 在无过载叶轮设计中，一般 = 2 0 。- 3 5 。有时，层高达4 5 。，这时因冲角过大， 1 4 江苏大学硕士学位论文 虽在小流量区性能欠佳，但在大流量区效率却相当高，经验表明，较大的层是可 行。 2 3面积比原理及设计方法 2 0 世纪3 0 年代，a n d e r s o n 首先提出了离心泵的面积比理论。他指出，叶轮出 e l 过流面积与泵体喉部面积之比乃是离心泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决 定因素，泵体的喉部可以看作是文吐里计的喉部，因此泵体喉部就是最佳效率点 处以及零扬程点下通过离心泵的流量的主要决定因素。 面积比定义为： y = 半 ( 2 1 0 ) 式中：d 2 叶轮外径； 厦叶片出口安防角； 仍叶片出口排挤系数； e 泵体喉部面积。 面积比原理是寻求叶轮与泵体的最佳匹配，把叶轮与泵体作为整体考虑，是 用叶轮的特征面积( 叶轮叶片间的出口面积) 和泵体特征面积( 泵体喉部面积) 之比y ( 面积比) 来反映叶轮特性与泵体特性的匹配，研究液化对泵性能及泵设 计参数的影响。 设计中依不同设计要求选择不同面积比。如其值过小时，泵将是无过载的， 但此时泵效率相对较低，也可能引起制造困难；相反，当y 值过大时，虽泵效率较 高，但轴功率却可能是过载的。一般来说，对于低比转数无过载离心泵建议取面 积比在1 0 n 2 0 之间。若y 2 0 ，则泵的轴功率曲线 可能是过载的。 2 4 优化设计方法的提出 由上所述可知，适当增加吃、厦可以显著提高离心泵的效率。而要获得较小 的轴功率以及较小的面积比来实现无过载，又需要取较小的也、屈。过小的履， 须加大叶轮外径d 2 来达到规定的扬程，从而增加了与d 2 的5 次方成正比的圆盘摩 江苏大学硕士学位论文 擦损失，泵的效率较低。大幅度减小伤，即大大增加u 轮m 口的排挤来控制e 。，和m 叶轮出口面积只是可行的。减小织可通过堵塞叶轮、f i - 面流道来实现。因此，本文 提出了一种改变叶轮几何参数和堵褒叶轮平面流道棚结合的无过载离心泵性能优 化设计方法。希望通过这种优化设计方法提高无过载离心泵效率、改善水力性能。 堵塞叶轮平面流道应该考虑两个因素：流道堵塞量以及两叶片间流道有效部 分出口和进口面积比。接下来的第三、四章将分别研究流道堵塞量以及两叶片间 流道有效部分出口和进门面积比对低比转数离心泵性能的影响。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章流道堵塞量对低比转数离心泵的影响 堵寒流道法分以下两种形式：堵塞部分叶轮流道， 完全堵塞l 轮流道。 如罔3 1 所示。对于比转数相对较高的低比转数叶轮可以采用堵塞部分叶轮流道的 形式；当流量很小，比转数很低时可以采用完全堵寒叶轮流道的形式。本章节 在利j jf l u e n t 软件对离心采进朴性能预测的基础上，对i s s o - 3 2 - 1 6 0 型低比转数离 心泵叶轮的平i 斫流道进行了不州程度地堵塞。以此柬研究流道堵塞罱对低比转数 离心采性能和内 i 【流场的影响。 3 1 研究方案 酣3 1 堵塞流道的形式 0 ) 堵塞部分叫轮流道 彻完令堵塞叶轮流道 分别对i s 5 0 - 3 2 1 6 0 型低比转数离心泉叶轮的乎面流道进行不同程度地堵塞。 方案一：对称地完仝堵摩i s 5 0 - 3 2 - 1 6 0 型低比转数离心泵川轮的3 个甲面流道，命 名为1 号泵。方案：至四：分别部分堵塞i s 5 0 3 2 1 6 0 型低比转数离心辱f 叶轮二分 之一、四分之一、五分之一的平面流道，分别命名为2 、3 、4 呼泵。 3 2 基于f l u e n t 的性能预测 32 1 离心泵叶轮建模 果用p r o e 软件对并方案的叶轮、蜗壳进行t 维实体造型，各方案的叶片j 维 造型如图3 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 、 1 7 气 圈3 2 叶片三维造型 ( a ) 1 号泵叶片嘞2 号泵叶片 ( c ) 3 号泵叶片( 田4 弓泵叶片 3 22 计算流道网格的选撵和划分 1 结构化网格 在结构化网格中，每一个节点及控制容积的几何信息必须加以存储，但该节 点的邻点关系是可毗依据网格编号的规律而自动得出的因而不必譬门存储这一 类信息，这是结构化网格的一大优点。但是，对于低比转数离心泵叶轮和蜗壳这 样有着复杂边界计算域，生成结构化网格非常困难。尤其是像复合叶轮边界情况 更加复杂，即使采用区域化结构网格也是很复杂和困难的。 2 非结构化网格 非结构化网格技术在2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初得到了迅速发展。它的基 奉思想是：四面体足：位守间墩简单的形状，任何窄问区域都可以被四面体单元 所填满，即任何空u j 计算域都t 叮以被四面体为单元的网格所划分。非结构化网格 单元与竹点的编号无固定的规则可遵循，因而除了每一个单元及节点的几何信息 必须存储外，该单元相邻的那些单元的编号等也必须作为连接关系的信息存储 毡 、 吧 蹙 江苏大学硕士学位论丈 起来，使非结构化的嘲槔的存储信息量比较大。 3 混合网格 混合网格方法，即采j l j 结构嘲格和非结构嗍格混合的方法柬求解。其优点足： 全q 恒；由于流场中大部分区域是结构网格，j j 有很小部分是非结构网椿， 凼而同样可在结构网格r 使用高效算法，以保证整个流场求解的高效率：通常 结构网格位于物而附近，非结构网格仅存在于结构网格的连接处，因而叮以得到 光滑的物面网格分抽，宜j 。求解复杂外形的粘性绕流。 奉章采用g a m b i t 软件对各方案模型的备过流批件进行混合州格划分，各方 案的叶轮流道网格划分情况如罔3 3 所示。并榆矗阀格质量，经检查，嘲格的等角 斜率和等尺斜率都小于o 8 5 ，网格质晕良好。1 号泵的叶轮和蜗壳的嘲格数总和为 2 2 9 0 2 2 。2 号杂的叶轮和蜗壳的嘲格数和为2 2 6 0 5 1 。3 号泉的叶轮和蜗壳的嗍格数 总和为2 1 8 7 8 4 ，4 号泵的叫轮和蜗壳的网格数总和为2 3 4 7 8 4 计算收敛精度为1 0 。 ( 劬 幽3 , 3 州轮流道划分 0 ) 1 呼泵叶轮( b ) 2 弓泵l l l 轮 0 ) 3 号泉叶轮( d ) 4 号泉l f 轮 江苏大学硕士学位论文 3 2 3 湍流模型的选取 f l u e n t 中采用的湍流模拟方法包括s p a l a r t a l l m a r a s 模型、s t a n d a r d ( 标准) k s 模型、r n g ( 重整化群) 七一s 模型、r e a l i z a b l e ( 现实) k s 模型、记一厂模型、 r s m ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，雷诺应力模型) 模型和l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ， 大涡模拟) 方法。 本章采用标准k 一占模型。标准k g 模型l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出，模型本身 具有的稳定性、经济性和比较高的计算精度使之成为湍流模型中应用范围最广、 也最为人熟知的一个模型。标准k s 模型通过求解湍流动能( 七) 方程和湍流耗散 率( g ) 程，得到七和s 的解，然后再用k 和s 的值计算湍流粘度，最终通过b o u s s i n e s q 假设得到雷诺应力的解。 3 2 4 求解器及算法的选用 在f l u e n t 中有两种求解器，即分离求解器( s e g r e g a t e ds o l v e r ) 和耦合求解器 ( c o u p l e ds o l v e r ) 。这两种求解器的求解对象是相同的，即它们所求解的控制方程 均为描述质量守恒、动量守恒和能量守恒的连续方程、动量方程和能量方程。所 不同的是，分离求解方法即分别求解各个控制方程的方法；与分离算法分别求解 各个方程相反，耦合算法同时求解连续方程、动量方程和能量方程。在上述流场 控制方程被求解后，再求解湍流、辐射等方程。本文选用分离式求解器，并假定 流动定常。 分离