（流体机械及工程专业论文）超低比转速部分流泵研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着我国石油化工，化肥及制药等行业的飞速发展，对小流量泵的需求量越 来越大，部分流泵正是一种小流量高扬程新型离心泵。与普通离心泵相比，其结 构简单，流量一扬程曲线在给定工作范围内比较平坦。 由于部分流泵的理论体系比较分散，其水力设计方法也很受局限，本文在现 有的研究成果的基础上，较系统的阐述了部分流泵的理论、水力设计方法和工作 特性等；通过对一常规转速下的部分流泵进行设计数值计算及试验研究，探讨了 流体动力计算( c f d ) 对部分流泵性能预测的可靠性；在此前提下，以c f d 数值 计算和模拟为基础，借助f l u e n t 软件，建立内流场与外部性能关系。主要研究部 分流泵各过流部件( 叶轮外径、喉部面积和叶片数) 对部分流泵性能的影响以及对 扬程系数、流量系数的影响，通过数值计算模拟和对计算结果的分析得出以下结 论： i 参数( o = 3 m 3 h 、h = 2 6 0 m 、n = 2 9 0 0 r p m ) ，在b d 2 = 1 1 的条件下只改变叶轮 外径，在一定范围内随着叶轮外径的增大，部分流泵的扬程增大，其效率先大后 小，有极值出现。 2 同样条件下叶轮外径的增大，使扬程系数、流量系数均有所增大，但增大 的幅度较小，二者的变化不成线性变化，说明扬程系数，流量系数是由多个参数 来决定其变化规律的。 3 只改变喉部尺寸。在一定范围内( d o = 8 m 1 2 r a m ) ，随着喉部直径的增大， 部分流泵的扬程，效率均增大的。同时喉部直径的增大，使得扬程系数增大、而 流量系数下降。 4 只改变叶轮的叶片数。在一定范围内( z = 8 1 2 ) ，随着叶片数的增多，部 分流泵的扬程和效率都有所提高。这是由于采用较多的叶片数会减少叶片处的回 流区。随着叶片数的增多，叶轮外径圆周速度有所增大，进而使扬程系数增高。 蜗壳喉部的平均流速增大，从而导致流量系数增高。 。 关键词：部分流泵；超低比转速；扬程系数；流量系数；数值分析 超低比转速部分流泵研究 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya n dt h ef e r t i l i z e ra n d p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r i e s ，m o r ea n dm o r ep u m p sw i t hl i t t l ef l o wa r en e e d e da n dt h e p a r t i a lf l o wp u m pi sak i n do fn e wc e n t r i f u g a lp u m pw i t hl i t t l ef l o wa n dh i g hh e a d c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r yc e n t r i f u g a lp u m p ，t h es t r u c t u r eo ft h ep a r t i a lf l o wp u m pi s s i m p l ea n di t sf l u x - h e a dc u r v ei sr e l a t i v e l yf l a ti nag i v e nw o r ks c o p e t h et h e o r e t i c a ls y s t e mo ft h ep a r t i a lf l o wp u m pi sd i s p e r s i o n , s oi t sh y d r a u l i c d e s i g nm e t h o dh a sl i m i t a t i o n t h et h e o r i e s ，h y d r a u l i cd e s i g nm e t h o da n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep a r t i a lf l o wp u m pa r ee l a b o r a t e do nt h eb a s eo fe x i s t i n gr e s u l t so f t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r t h r o u g hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dt e s td e s i g nr e s e a r c h , t h e r e l i a b i l i t yo ft h eh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o nt h a tp r e d i c tt h ep a r t i a lf l o wp u m pw i t h c o n v e n t i o n a ls p e e di sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r b a s eo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb y c f d ，t h er e l a t i o n s h i po ff l o wf i e l da n de x t e r n a lp e r f o r m a n c ei ss e tu p t h ei n f l u e n c e s o fi m p e l l e rd i a m e t e r , t h r o a ta r e aa n dv a n e sn u m b e ro nt h ep u m pp e r f o r m a n c e ，h e a d c o e f f i c i e n ta n df l o wc o e f f i c i e n ta r et h em a i n i n v e s t i g a t i v ep a r a m e t e r s t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sw ed r a wt h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 p a r a m e t e r ( q = 3 m h 、h = 2 6 0 m 、n = 2 9 0 0 r p m ) ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h e b d 22 1 1 ，t h eh e a do f t h ep a r t i a lf l o wp u m p si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h e i m p e l l e r sd i a m e t e ri nac e r t a i nr a n g e t h ee f f i c i e n c yc h a n g e sf r o mh i g ht ol o w , a p p e a r i n ge x t r e m ev a l u e 2 u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , w i t hi n c r e a s i n go ft h ei m p e l l e rd i a m e t e r , c o e f f i c i e n t o ft h eh e a da n dt h ef l o wa l s oi n c r e a s e d ，b u ti n c r e s c e n tv a l u ei ss m a l la n dt h eb o t ho f t h ec h a n g e sa r en o tl i n e a r s ov a r i m i o nd i s c i p l i n eo ft h ef l o wc o e f f i c i e n ta n dh e a d c o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e db yan u m b e ro f p a r a m e t e r s 3 o n l yc h a n g et h et h r o a td i a m e t e r i nac e r t a i ns c o p e ( d 0 = 8 m m - 一1 2 m m ) ，t h eh e a d a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep a r t i a lf l o wp u m pi n c r e a s e dw i t ht h et h r o a td i a m e t e r i n c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，w i t ht h et h r o a td i a m e t e ri n c r e a s i n g ，t h eh e a dc o e f f i c i e n t i n c r e a s e da n dt h ef l o wc o e f f i c i e n td e c r e a s e d 4 o n l yc h a n g et h en u m b e ro fi m p e l l e rb l a d e s i nac e r t a i ns c o p e ( z = 8 一12 ) ，t h e h e a da n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ep a r t i a lf l o wp u m pa r ei n c r e a s i n gw i t ht h et h r o a td i a m e t e r i n c r e a s i n g t h i si sb e c a u s et h eu s i n go fm o r eb l a d e sw i l lr e d u c ev a n e sb a c kf l o wz o n e t h ec i r c l er a t ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fb l a d e s , a n dt h e nt h eh e a d e o e f f i c i e n ti sa l s oi n c r e a s e d f l u xc o e f f i c i e n ti si n c r e a s e dw i t ht h ea v e r a g ef l o wr a t eo f 硕士学位论文 t h ev o l u t et h r o a ti n c r e a s i n g k e yw o r d s ：p a r t i a lf l o wp u m p ；s u p e r - l o ws p e c i f i cs p e e d ；h e a dc o e f f i c i e n t ；f l o wc o e f f i c i e n t ； n u m e r i c a la n a l y s i s 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：梁杏 日期：如产厂月，日 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，即：学 校有权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。本人授权兰州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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：多倪罗年歹月1 日 日期：z 以罗年万月厂日 i 矿1 j、斫 松栖 名名 签签 者师作导 第l 章绪论 1 1 概述研究背景及工程意义 部分流泵是一种小流量高扬程的新型离心泵。也叫切线泵，如图1 1 【”。其流 量非常小，扬程较高。所以其比转速特别低。与一般离心泵相比，其流量一扬程 特性曲线平坦，能达到变流恒压效果解决了一般离心泵小流量超压问题。部分 流泵是流体输送领域中的特种产品之一，最初主要用在火箭发动机中，该类型泵 在流量小，扬程高的低比转速泵中，与离心泵相比，具有结构紧凑，泵零件的通 用性强，工作可靠，轴向力小，寿命长，流量一扬程曲线平坦等特点。近年来， 由于该型泵的独特性能己被专家、学者及用户所认识和接受，作为建筑消防专用 水泵1 2 】，在我国消防事业中也发挥着重大作用。部分流泵现在己广泛应用于航空、 航天、石油、化工、消防等重要场合，成为超低比转速离心泵中最有力的竞争者。 小流量、高扬程超低比转速( 蜓3 5 ) 离心泵一直是离心泵领域内研究的难点和 热点，至今尚不具备完备的理论和设计方法，但因该类离心泵需求量大、市场应 用前景广阔，所以成为人们不断研究和关注的焦点。近年来部分流泵在国内除了 用作航空领域的燃料泵外，化工行业也引进了许多高速部分流泵国内工业界对 一。啦轴魏翌蔽嘤滞甚擎5 甘8 。”群 图i i 高速切线泵 超低比转速部分流泵研究 部分流泵有较大的市场需求。而国内对部分流泵进行系统、深入研究的报道并不 多见1 3 】。目前在超低比转速中有多级离心泵、部分流泵和小部分旋转喷射泵。多 级离心泵虽然满足了高扬程的需要，但因在小流量工况时性能不太稳定，且存在 流量一扬程曲线陡降、可调范围有限、效率低、故障率高、检修困难等问题，是 用户希望用其它形式泵来替代的泵种【4 1 。 旋转喷射泵和部分流泵在高转速下( 叶片泵的转速大于3 6 0 0 r m i n 时，通常称 之为高速泵) 虽然可满足高扬程的需要，且旋转喷射泵虽然解决了低比转速泵圆盘 摩擦损失过大的问题，效率也有一定的提高，但因为其外壳体旋转，转动部件大， 高压腔体和低压腔体之间的密封难以解决，再加之受进口压力的限制，使得该种 泵诞生7 0 年来始终有刚剞。 部分流泵是一种小流量、高扬程泵，它首先以高速泵的形式应用在航天航空 领域，然后扩展到石油、化工、消防、环保等领域。它与离心泵相比，其叶轮形 状简单，流量一扬程曲线在给定的工作范围内比较平坦，在超低比转速范围内其 性能优于普通离心泵。因此部分流泵在小流量范围内是一种可以代替多级泵的合 适泵种【5 1 。 泵类产品每年能源的消耗量占全国能源消耗量的2 5 左右，其中离心泵占一 多半以上1 6 j 。小流量、高扬程超低比转速( n 。 【a ( h l 、阢 图2 4 部分流泵叶轮进口速度三角形 2 部分流泵的出口速度三角形 由于部分流泵履= 9 0 。，同时流量很小，假设泵壳体内的流体象固体一样转动， 即强制涡，图2 5 为部分流泵的出口速度三角形。 图2 5 叶轮出口速度三角形 w 2 2 ( 屹2 ) 超低比转速部分流泵研究 2 2 2 部分流泵的基本方程 离心泵理论扬程的基本方程为1 2 9 j ： 皿2 吉( 吼z u l v ) ( 2 1 ) 式中： ：、匕：分别为叶片出口的液流圆周速度和液流绝对速度的圆周分量，1 1 1 、 屹分别为叶片进口的液流圆周速度和液流绝对速度的圆周分量。 对于部分流泵，由于屈= 9 0 。、q = 9 0 。，即m 与w l 重合，因此，式( 2 1 ) n f f j 简 化为： 皿= 业( 2 2 ) g 其中日+ 为部分流泵的理论扬程 由部分流泵出口速度三角形可知心：- - 1 4 2 ；w ：o ( w ：不到甜：的1 ) 。贝j j ( 2 2 ) 式变为： e ：堕( 2 3 ) g 故，部分流泵的实际扬程h 可简写为： 日：崛：j f ，堕 ( 2 4 ) g 沙：扬程系数，一般为0 6 - - 0 7 5 2 3 部分流泵的能量损失 部分流泵叶轮通常采用带径向叶片的开式结构，没有叶轮密封环泄露问题。 其机械损失主要由轴承摩擦损失和轴封摩擦损失【3 】组成( 对带有增速器的高速部 分流泵，还需计入增速器的能量损失) 。因此，部分流泵的能量损失，主要取决于 泵内水力损失。部分流泵叶轮内的相对速度w 很小，流体流经叶轮流道的水力损 失不大。故部分流泵泵内的水力损失主要包括泵腔内流体与泵腔壁面的摩擦损失、 流经扩散器喉部喷嘴损失和渐扩管损失。引起泵腔内液体与泵腔壁面摩擦损失的 切应力f 为： f = k p v 2( 2 5 ) 式中l 【_ 壁面摩擦损失系数 p 一液体密度 ，泵腔内液体运动速度 则从半径r l 到r 2 范围内的泵腔侧壁上，因t 产生的摩擦力矩m 为： 1 4 硕士学位论文 记 m = r 2 n r 2 r d r = 2 础r v 2 r 2 毋 止，r 。v 2 r 2 办 ( 2 6 ) 则m = 2 x k p j 克服此摩擦力矩所消耗的功率p 为： a p = m o d = 2 x k p j 国 对应的损失水头h 为 j i i ：竺= 2 万k p c o j ：2 x k c o j ：丝型 ( 2 2 7 ) 厅= = 一= 一= 一 i ，l q p gq p gq g go 、7 式中0 3 一叶轮转动角速度 q 一泵流量 因开式叶轮叶片前后端面与泵腔内壁面形状一致，之间的间隙不太大，可以 认为，在叶轮轮毂r 到叶轮外径r 的径向范围内，泵腔与叶轮流道内的液体运动 速度相同。液体流出叶轮后，同普通离心泵一样，即在从足到环形流道外壁面及 足的径向范围内，假定液体也遵照自由流动规律。 部分流泵叶轮内流体的运动，同样也因惯性产生轴向漩涡。因轴向漩涡产生 的叶轮出口滑移速度圪：为p 们 ， a v , 2 = 嘉 ( 2 8 ) 式中的1 2 为叶轮出口圆周速度。见出口速度三角形，忽略轴面速度圪：，则叶轮 出口流体绝对速度吒 为： 圪v u 2 - n 2 - 参弘( ，一专) 仁9 ， 假设轴向漩涡为强迫漩涡，其转动中心位于叶轮叶片间流道中部，即转动中心所 在半径为墨妄盈，且不计轴向漩涡对叶片间流道进口区段的影响，则根据( 2 9 ) 可分别计算出由r 到墨 鱼、由墨 盈到r 以及由恐到足的积分以、以和l 值： 以：f 学甜z ，z d r ：国以5 j 凡2 甜2 ，2 = 国：( 学) 5 一5 5 ( 2 1 0 ) 超低比转速部分流泵研究 量a mg _ mm 鼍皇曼鼍曼量皇曼毫詈曼曼鲁曼舅! 皇曼曼曼皇曼曼量曼曼曼鼍 净拳 掰一：揭 2 ，2 毋= 国2 1 三二! 掣一藕 型一必刿 524 型5 也型4 + 掣掣 【z 1 1 ) l = 譬 等( 一专) 2 ，2 咖甜霹( 一专) 2 ( r r ) 2 ， 将式( 2 1 0 ) - - ( 2 1 2 ) 代x ( 2 7 ) 式，并取k 的经验统计值为k = 9 8x 1 0 。8 可得双侧泵腔壁面摩擦损失水头h z h z = 0 6 2 7 6 掣。 ( 2 1 3 ) 用同样的方法可得到环形流边外壁面的摩擦损失水头k k = ( 一专) 半笋m 。5 式中以为环形流道的宽度。利用流体力学流动阻力的计算方法，可得流经扩散器 喉部喷嘴损失水头和渐扩管损失水头吃 = 。0 1 等2 ( 2 1 5 ) h k = 0 0 1 2 4 烤2 因此，总的能量损失为： e h = 见+ k + 吃+ 噍 ( 2 1 7 ) 综上所述，影响损失的因素有泵转速n ，叶轮叶片数z ，外径r 2 ，轮毂j l - 径 氐、环形蜗壳宽度b s 、外径r 3 、喉部喷嘴直径d t 及渐扩管直径d k 。因此，要降 低部分流泵的能量榻失提高奠效率，就一必须对这此相关尺, - j - 讲行综合考虑、合 1 6 鼙 一b 硕十学位论文 理匹配，使其既有部分流泵的性能特性，又有着较高的效率，这也将是今后对泵 进行优化设计的方向。 2 4 部分流泵的特性 2 4 1 部分流泵的工作特性 在低比转速、小流量范围时，部分流泵的效率比一般离心泵高，因为此种情 况下，部分流泵内液体几乎没有相对运动速度，水力损失小，但是在高比转速、 大流量的范围内，部分流泵的效率反而比普通离心泵低。这是因为在部分流泵内 大部分液体随叶轮旋转，少量液体排除，所以水力损失很大。 部分流泵的结构特点决定了它具有不同于普通全流泵的性能特色。部分流泵 的优势主要在于它能够在小流量、高扬程的场合中稳定运行，而且其运行效率要 高于同等工况下的全流泵。部分流泵的同心环形壳体为其性能曲线提供了一种截 止特性【3 l 】，如图2 5 所示，即流量大于截止流量时性能会突然下降。截止流量是 当蜗壳喉部的流速基本上等于与叶轮圆周速度相等的的施转液流的流速时的流 量。因此，对同一转速、同一叶轮直径的泵，可以用改变蜗壳喉部直径的方法， 任意的决定“全开的最大流量 。在许多场合下，流量小、扬程较高的试用工况， 若采用比转速较大的常规泵，它在关死点附近运转的机会就会增多，这时若选用 仅能满足使用点功率要求的电动机来驱动，一旦排出阀开得过大或流程条件变动 时，就会造成电机过载，而部分流泵则消除了这样的危险性。 2 4 2 部分流泵的特性曲线 部分流泵的理论特性曲线，如图2 6 ，在小于截止流量时扬程保持不变，其 值为“，到截止流量时流量不再增大而形成矩形，也就相当于欧拉理论扬程曲 g 线展= 9 0 0 的情况，这样的理论特性是假定叶轮和流体之间实际上没有相对流动 而蜗壳中动扬程的能量回收为1 0 0 时的情况。但叶轮和流体之间实际上有稍微 的相对流动，蜗壳回收能量不是百分之百，所以截止点变为圆形曲线。此外，相 对于理论截止流量而言，蜗壳入口的流入效率并非百分之百，所以实际的截止流 量变小。再则，因为靠蜗壳回收动能存在着最优的流量值，所以流量扬程曲线存 在驼峰。 部分流泵的删曲线，如图2 6 ，功率随着流量的增大呈线性的变化。由q 1 7 超低比转速部分流泵研究 h 和q _ n 曲线不难得到q t l 曲线，如图2 6 ，因为r = 丛等，其中y 为泵输送 n 液体的重度。 部分流泵的特性中特别令人关注的是关死点的扬程为理论扬程的o 7 左右。 常规型式的泵关死点扬程通常为理论扬程的0 5 7 左右【l 】，在同一直径同一转速下 比较，部分流泵具有常规泵1 2 1 4 倍的高扬程，而且扬程在整个实用的范围内 变化很小，这种情况在常规的及 9 0 0 叶轮不可能出现，欧拉理论曲线本身就是 向右下倾斜的，比之关死点扬程有较大的下降，在实际使用点会出现更大的偏差。 图2 6 部分流泵特性曲线 2 5 部分流泵的水力设计 2 5 1 流量系数和扬程系数 1 流量系数矽 在离心泵中常用叶轮出口轴面速度系数以：来计算叶轮的水力尺寸，也可以 用流量系数秒作为计算依据，并定义为： 两者将有关系式： 以：= 。鬲v m 2 p ：堡 吃 以：= o 7 睾 l f ， 1 8 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 硕士学位论文 应当注意到部分流泵所使用的流量系数【2 3 】表达式是伊：r o ，而不是缈：坠。 甜22 圪是指扩散管喉部直径哦处的液体平均流速，而不是指叶轮出口的轴面流速圪：。 根据已有资料介绍矽o 8 ，也就是说扩散管喉部的液体流速大约是轮外径圆周速 度的0 8 倍时能达到要求的设计流量和最高效率。但是有文献指出，通过改变不 同的几何尺寸后的试验数据的反算结果，矽= 0 6 0 9 5 ，在一个较宽的范围内变 化，这说明仅仅根据0 8 u ：来确定喉径哦并不能保证达到所希望的最优性能指标。 p 的大小选择还取决于一些其他因素的最优组合。 2 扬程系数沙 目前离心泵的设计较多的还是应用建立在相似原理基础上的速度系数法。部 分流泵的叶轮在结构形式上要比离心泵简单许多，而且在计算公式上也比离心泵 简单。据有关切线泵的文献资料介绍，均使用扬程系数和流量系数来确定部分流 泵的主要尺寸。 扬程系数2 3 】的定义：沙一表示泵的扬程与泵在流量为零和径向进水( 即液体无 旋) 时的最大理论扬程之比值。则有：y ：咝乓：垒，所以扬程系数y 的实 g甜i g 质，是叶轮出口处液体绝对速度的圆周速度分量与叶轮出口速度圆周分量的比值。 现有资料给出：沙= 0 6 0 7 5 。在离心泵设计中常用出口圆周速度分量系数e ：决 定叶轮的蛮力尺寸。可以将写成如下形式：k 2 = 0 7 偿，譬者：k z - o 7 牿。 2 5 2 叶轮设计 1 叶轮进口直径 d o = 见+ ( 2 2 0 ) 其中，见为叶轮进口当量直径d | ：i 垒 ( 2 2 1 ) 瓯为轮毂直径- 3 5 - - 4 5 2 叶轮外径 叶轮圆周速度甜： 甜：掣 ( 2 2 2 ) 甜，= 三一i z z = z l 6 0 、 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 4 ) 得： 1 9 超低比转速部分流泵研究 日= 蝎= y 苫1 1 2 = g 磐 gb u 。g 将g = 9 8 ，刀= 3 1 4 代入式( 2 6 ) ，并整理，可得： 砬：婴f 旦1 忍 ( 2 “) n 、妒) 3 叶片数 一般取叶轮叶片数z = 6 - 1 8 ，当d 2 大、比转速小时取大值；d 2 小、比转速 大时取小值。叶片数多时通常按长+ 短或长+ 中+ 短的形式布置p 2 1 。增加叶片数， 缩短了叶片之间的节距，提高了叶栅稠度，能使关死扬程提高，扬程曲线稳定， 并能降低泵的噪声。 4 叶轮总宽度 b 2 吐+ 疋( 2 2 5 )、 岛一叶轮后存板厚度4 一泵体出1 3 扩散管喉部直径 2 5 3 蜗壳的设计 蜗壳的主要作用是降低从叶轮流出的高速液流的速度，并将速度能转变为压 力能。一般离心泵蜗壳的断面形状【8 l 主要有梯形、矩形和圆形三种。对常转速下 的部分流泵而言，由于喉部面积较小故设计其蜗壳一般为环形蜗壳。 蜗壳设计的主要参数有基圆直径d 3 、蜗壳宽度b 3 、隔舌起始角0 以及喉部 面积a 等。对于低比转速离心泵，其蜗壳的隔舌起始角0 一般为8 。 - 1 5 。 1 基圆直径 基圆直径d 3 应大于叶轮外径d 2 ，且叶轮与隔舌之间要保持一定的间隙。间 隙过大会影响高速离心泵的效率，但也不宜过小。文献【3 3 】和 3 4 对转速8 9 0 r m i n 的离心泵透明蜗壳分别用示踪粒子和压力传感器进行了试验研究和压力速度的流 场分析研究，得出的结论是蜗壳里的压力脉动是造成泵不稳定流动的主要原因之 一。而增加隔舌与叶轮之间的间隙，减少隔舌附近的不均匀流动，可以减少蜗壳 里的压力脉动及其引起的噪声。对低比转速离心泵，可取d 3 为8 】： d 3 = ( 1 1 1 2 ) d 2( 2 2 6 ) 2 蜗壳宽度 蜗壳宽度b ，的选择应考虑叶轮前、后盖板与蜗壳侧壁之间有足够的间隙，以 利于回收部分圆盘摩擦消耗功率，设计时可取 b 3 b 2 + ( 2 , - - - , 5 ) m m( 2 2 7 ) 式中b z 一叶片宽度b 2 与后存板厚度之和。 3 喉部面积及喉部直径 硕士学位论文 喉部面积a 是蜗壳的主要参数。a 的大小不仅影响整个蜗壳的大小，而且关 系到部分流泵的最大工作流量q 。眦。蜗壳喉部面积a 取较大值时，部分流泵的 q m x 增加，泵的工作范围较宽，且最高效率点向大流量方向偏移【4 1 。通常，泵体 为环状形，流道截面的上部为半圆形或矩形。泵的出口在环形泵体的切线方向， 如图2 7 所示。 对于部分流泵，其喉部流速： c t = 缈2 ( 2 z 8 ) 由式( 2 4 ) n - i 得叶轮圆周速度： 甜：丝 ( 2 2 9 ) 喉部截面积： 喉部直径： 4 = 4 = 浮 图2 7 环形蜗壳主要尺寸 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 将以上各式整理后有： 例弼8 ( 号) 亿3 2 ， l 缈爿 流量系数矽= o 6 5 0 8 5 扩散管的长度和扩散角 扩散管的作用是将液体的动能转化为压力能。一般扩散角可取6 。8 。，最 大不宜超过1 0 。阳。扩散管最优长度可按( 6 - 7 ) d r 选择。部分流泵喉部面积较小， 在一定的流量下，出口流速相对较大，所以扩散管的作用尤显突出。 扩散管进口直线段：l = ( 2 3 ) d t 2 1 超低比转速部分流泵研究 第3 章常转速小流量部分流泵的设计及试验研究 3 1 引言 随着石油、化工等工业的飞速发展，需要大量流量小于5 m 3 h 、扬程大于2 0 0 m 的超低比转速离心泵。如以液氨为原料的染料生产装置需要流量为1 5 - - 4 5m 3 h 、 扬程为2 0 0 - - 3 6 0 m 的小流量高扬程离心泵。由于比转速过低，离心泵的效率偏低 且非常容易产生小流量工作不稳定。因此一种较为简便的方法是选用开式叶轮来 实现小流量高扬程的需要。 部分流泵，由于泵内只有一部分流动的液体沿着圆形蜗壳的切线方向的锥形 扩散管输出，而另一部分液体则始终随着叶轮作强制旋转运动，需要消耗一部分 能量，因此在相同的工况下，开式叶轮离心泵要比复合叶轮离心泵的效率低，开 式叶轮离心泵的一个重要特点是其扬程流量特性曲线比较平坦，几乎是一条直线。 本章概述了此种泵的设计、方案比较、试验及其对性能的影响因素。 3 2 设计参数及方案 以兰炼添加剂装置需要的小流量高扬程离心泵为研究对象。其要求的流量小， 扬程高，经计算其比转速特别低，可以作为本文所需的超低比转速部分流泵的研 究对象。其具体参数为：流量q = 3 m 3 h 、扬程为：h = 2 6 0 m ( 设为两级，单级扬程 h = 1 3 0 m ) 、转速为：n = 2 9 0 0 r p m ，要求特性曲线平坦度控制在7 以内。 3 2 1 设计方案 输送小流量高扬程介质的一个办法是采用开式叶轮离心泵，根据实际要求， 采用常规转速下结构简单的超低比转速部分流泵，叶轮采用全开式叶轮，为了平 衡轴向力，特采用两级叶轮背靠背的排列3 6 1 ，蜗壳采用环形蜗壳。 3 2 2 水力计算 1 比转速 取i = 2 ，h i = 1 3 0 m 单级比转速：璩= 可3 6 5 n x f q ：三竺二翌挚：7 9 5 硕士学位论文 2 泵的进i ：1 直径 = 。6 3q x - 历7 = 0 0 6 x i 防= t 6 ，刀，s 玩= 屠= 取魄= 4 0 r a m 3 泵的出口直径 = o 8 7 5 d o = 3 5 r a m 4 叶轮进口直径 根据公式( 2 2 0 ) 得：d 0 = = 0 0 3 2 1 朋 = 0 0 3 2 m 其中毛= 4 5 ，吃= o r e ，取d o = 3 5 r a m 5 叶轮外径 根据公式( 2 2 2 ) 得：叶轮圆周速度纵：婴 、h ：徊。：y 堕 、 将g = 9 8 ，7 = 3 1 4 代入上式，整理，得： 根据公式( 2 2 4 ) 得：砬：竺f ，旦 尼= 竺r 坐1 ：o 2 8 1 2 m 力lyj 2 9 0 0 、0 7 取沙= 0 7圆整职= 2 8 1 m m 影响沙的因素有：叶片出口边必须保持机床加工后的锐角，如果打圆，沙便降 低；叶片进口边吸力面磨成圆弧可提高沙值1 3 1 。根据已有资料选取y = 0 7 。 6 叶轮总宽度 根据公式( 2 2 5 ) 得：5 2 吐+ 暖= 1 2 5 r a m 玩一叶轮后存板厚度取磊= 2 5 r a m 7 叶片数 开式叶轮部分流泵的叶轮结构如图3 1 所示，叶片呈辐射状，其出口叶片安装 角为9 0 。，叶片分全开式和半开式两种结构，本设计选用全开式叶轮，为了提高 扬程系数，叶片数取为8 片，即z = 8 。 2 3 超低比转速部分流泵研究 么 霎 _ _ 图3 1 ( a ) 全开式叶片 图3 1 ( b ) 半开式叶片 8 壳体的喉部直径 根据公式( 2 3 2 ) 得： 、 删邡8 瞰铲嘶3 8 f 静胎) 嗡朋 9 一喉部流速系数取伊= 0 6 圆整，取呸= 1 0 m m 9 蜗壳设计 蜗壳的断面形状主要有梯形，矩形和圆形三种，由于梯形和圆形断面的加工 工艺性能较差，因此本设计选用可以打磨的矩形断面，即采用环形蜗壳。 蜗壳的基圆直径： b = ( 1 1 - 1 2 ) d 2取d 3 = 3 1 3 m m 蜗壳的宽度：6 3 = + ( 2 5 ) r a m 取岛= 1 5 5 r a m 扩散管进口直线段的长：l = ( 4 6 ) d r取l = 5 d , = 5 0 r a m 硕士学位论文 3 3 试验 表3 1 计算数据 吃 7 9 5 z 8 d 进 4 0 m m 4 l o m m d 出 3 5 r a m b 3 1 3 m m 域 3 5 r a m 吃 1 5 5 m m 砬 2 8 1 m m三5 0 m m 吃 1 2 5 m m 3 3 1 设计 本文设计的常转速下的部分流泵的结构示意图如图3 2 ，对其进行试验研究， 试验结果如表3 1 ，性能曲线如图3 3 。 ， 12 3 4 ：多 艿彳j繁7 多， 1 7 e t l 图3 2 常转速部分流泵的结构形式 图3 2 中，1 为泵体前盖，2 为泵体，3 为叶轮，4 为轴承座，5 为密封环，6 为泵体前盖，7 为机械密封，8 为轴承支架，9 为圆柱滚子轴承，l o 为o 型圈，1 1 为冷却水套，1 2 为向心推力轴承，1 3 为防尘盘，1 4 为泵轴，1 5 为甩油环，1 6 为 油位计部件，1 7 为机封盖垫，1 8 为机封轴套垫，1 9 为导向轴套，2 0 为泵体密封 垫，2 l 为止动垫圈，2 2 为叶轮螺栓。 超低比转速部分流泵研究 3 3 1 实验台 性能试验是确定泵的扬程，轴功率，效率与流量之间的关系。本实验在如图 3 3 试验台进行，选择为闭式试验台，闭式试验台系统中的液体与外界空气隔绝， 单独构成封闭循环系统，在汽蚀试验时其精度高，且整个试验装置占地面积小， 受环境条件的影响比较小。测试的为部分流泵从零流量开始到大于适用范围最大 流量的1 5 ，介质为常温清水，温度为4 0 ，运动粘度为m s 2 ，密度为1 0 5 0 k g m 3 ， 不吸水的游离固体含量为2 5 k g m 3 ，溶解于水的固体含量为5 0 k g m s 。基准面的 选取以通过第一级叶轮叶片进口边外端所描绘的圆的中心的水平面。 图3 3 部分流泵试验台 图3 3 为试验部分流泵的闭式试验台，其中1 进口压力传感器2 出口压力 传感器3 电动机4 转矩转速传感器5 试验部分流泵6 电磁流量计7 电 动调节阀8 水封闸阀9 汽蚀罐1 0 汽水分离罐1 1 水环真空泵1 2 电动 机。 硕士学位论文 3 3 3 实验数据 试验结果如表3 2 ，性能曲线如图3 3 。 h ( m ) 表3 2 部分流泵试验数据 n o q ( m 3 h )h ( m )n ( k w )e ( ) 102 5 9 3 01 7 5 60 20 8 62 6 0 6 81 7 8 43 4 2 31 4 52 6 2 1 21 8 3 15 6 5 42 0 62 6 3 8 91 8 9 8 9 5 52 8 22 6 4 9 71 9 3 7 1 0 5 63 02 6 5 1 l 1 9 4 01 1 2 5 73 1 9 2 6 4 7 31 9 6 41 1 7 83 3 92 6 5 2 5 1 9 7 01 2 4 9 93 5 9 2 6 4 4 31 9 7 21 3 1 l 1 03 8 4 2 6 4 4 21 9 9 41 3 8 6 l l 4 22 6 4 1 12 0 2 61 4 9 1 25 0 62 6 2 4 32 1 9 01 6 5 1 36 _ 3 6 2 6 0 6 92 4 8 11 8 1 4 30 0 2 5 0 2 0 0 15 0 10 0 50 0 o246 图3 4 部分流泵性能曲线 n ( k w ) 3 0 e ( ) 2 5 2 0 15 l0 5 o 8 q ( m 3 h ) 超低比转速部分流泵研究 图3 4 为部分流泵的性能曲线图，由图可以看出此设计合理，在常规转速下 也能达到设计的扬程，并且q h 、q e 、q - n 曲线均达到设计要求。 硕士学位论文 第4 章计算理论简介及部分流泵数值模拟 4 1 引言 随着计算机硬件和软件技术的发展及数值计算方法的日趋成熟，出现了基于 现有流动理论的c f d 软件。c f d 软件是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 软件的简称，是专门对流场进行分析、计算和预测的软件。通过c f d 软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能 p 丌，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。 叶轮机械内部流动的数值求斛3 8 l 从上个世纪5 0 年代吴仲华教授提出的两类 流面迭代求解方法开始，经过近3 0 年的研究到上世纪8 0 年代初期，以二维和三 维全位势和欧拉方程组数值解为基础的无粘性定常流动计算方法已基本成熟，进 入八十年代以后，随着计算机技术的飞速发展和计算流体力学的不断完善，为直 接求解n a v i e r s t o k e s 方程组创造了条件。如今，虽然数值模拟技术在叶轮机械 内流研究方面已经取得了很大的成功，许多研究者仍在孜孜不倦的进行算法的改 进、模型的应用等研究工作，以使数值方法能更精确的反映流动的真实特性【”- 4 3 。 长期以来，由于受到计算机技术和叶轮机械内部复杂结构的限制，通常是将 通流元件内部的流动孤立出来进行分析研究。对于单独的叶轮而言，这种方法假 定：叶轮内各叶道的流动完全相同，进而通过模拟叶轮一个叶道内的流动情况来了 解叶轮内部流动现象，分析各种流动现象产生的机理，为叶轮机械特别是转子的 设计、改进和流场的优化提供理论依据畔】。流动区域的简化使得流动方程在简单 的计算条件下进行数值模拟成为可能，但同时却增加了定解条件、忽略了通流元 件间的相互影响。 目前，随着计算机技术的飞速发展和计算流体动力学的不断成熟，对叶轮机 械进行整机计算已经成为可能，整机计算将所有的流动区域作为求解区域，进行 整场求解，能够考虑通流元件之间的相互影响，进出口边界条件容易给定，结果 比单流道计算更接近实际情况，但是对计算机的要求较高，计算周期相对较长。 部分流泵的结构比较特殊，叶轮是开式径向直叶片叶轮，蜗室是环形蜗壳， 与普通离心泵的结构差异较大，此前较少采用数值方法对其内流场进行系统深入 研究的公开报道，因此有必要首先对部分流泵内流的数值方法进行探讨。 本章介绍了整机定常计算方法、对部分流泵内流场进行数值模拟，探索适用 于部分流泵内流场的研究方法。由于部分流泵的内流比较复杂，在目前条件下进 2 9 超低比转速部分流泵研究 行其内流场的试验研究还存在诸多困难，而设计工况下的扬程是部分流泵最重要 的性能参数之一，扬程是泵内流场的外在表现形式，因此本章将以设计工况下的 扬程作为判断部分流泵数值计算成功与否的标准。 本文所研究的部分流泵由进水管、叶轮、蜗壳、吲 水管等组样组成。叶轮为 开式径向直叶片叶轮，叶片数8 ，环形蜗壳的外壁与叶轮同心，具体参数上一章已 做详细介绍。通过f l u e n t 软件首先对部分流泵内流数值方法进行模拟，并预测其外 特性性能曲线，与试验数据比较，验证其可靠性。进而通过改变部分流泵各过流 部件( 叶轮，叶片数，喉部面积) 的几何参数，研究各部件几何参数对泵性能的影 响，寻求其规律。并寻找出与流量系数和扬程系数有关的物理量。 4 2 控制方程组 建立控制方程，是求解任何问题前都必须首先进行的。流体流动要受物理守 恒定律的支配【4 5 1 ，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守 恒定律。如果流动包含不同成分( 组元) 的混合或相互作用，系统还要遵守组分守 恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程 ( g o v e r n i n ge q u a t i o n s ) 是这些守恒定律的数学描述。 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。即：单位时间内流体微元体中质量 的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。质量守恒方程是质量守恒定 律的数学表达式，以微小控制体为研究对象，可推导得到其微分形式( 写成散度形 式) 为： 竺+ v f d 们：o o t ”7 ( 4 1 、) 式中，p 为流体的密度，r 为时间，j 是速度矢量。工作介质为不可压理想流体 ( 夕= c ，c 为常数) ，则有： v 6 = 0 ( 4 2 ) 2 动量守恒方程 动量守恒定律是任何流动系统都必须满足的基本定律。即：微元体中流体的 动量对时间的变化率等于外界作用