（流体机械及工程专业论文）超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究.pdf

硕十学位论文 摘要 随着石油化工、冶金电力、航空航天等工业的迅速发展，离心泵也逐步向高速和大 功率方向发展，而且随着离心泵输送介质的多样化，特别是在输送易汽化介质和输送低 温液化气体等应用领域的不断扩展，扬程更高、流量更低的超低比转速高速离心泵得到 了广泛应用。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 在设计超低比转速离心泵时具有一定的局限性，受到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。 本课题采用c f d 数值模拟计算方法，对具有不同短叶片型式的g s 2 5 型超低比转速 高速离心泵在设计流量与大流量、小流量等不同运行工况下进行全流场三维湍流数值模 拟，对长短叶片复合式叶轮离心泵内部流动特性进行了较为深入的研究，旨在得到g s 2 5 型超低比转速高速离心泵复合式叶轮的最优设计方案，找出分流短叶片对内部流动及其 性能的影响规律，本课题的主要研究内容和所做的主要工作如下： 1 、基于传统的离心泵一元设计理论，结合低比转速离心泵的加大流量设计法和速 度系数法，根据本课题给定的基本设计参数，完成了g s 2 5 型超低比转速高速离心泵的 复合式叶轮和蜗壳的水力设计，得到g s 2 5 型超低比转速高速离心泵的初始设计方案。 2 、基于数理统计和正交理论，针对影响复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径 向进口的相对位置、叶片周向偏置度、偏转角四个主要因素，根据不同因素水平条件， 由正交法得到四因素四水平的十六种不同短叶片型式的复合式叶轮方案，并通过对 厶。( 4 4 ) 正交方案数值模拟计算结果的极差分析得出各因素水平对扬程和效率影响的主 次顺序，得出影响短叶片设计的各个因素水平对g s 2 5 型超低比速高速离心泵性能的影 响趋势，从而得到长短叶片及其布置最佳匹配的复合式高速离心泵叶轮的模型方案。 3 、在g s 2 5 型超低比转速高速离心泵复合式叶轮叶片的三维实体造型过程中，提出 了空间柱面坐标法，将叶片翼型二维平面的水力模型转化为空间坐标点，通过调整坐标 点的数值，来实现对叶片的修型，为提高过流部件内部流动c f d 数值模拟精度及其性 能预测的准确性奠定可靠的基础。 4 、整机数值模拟计算基于连续方程和雷诺时均n a v i e r s t o c k e s 方程，采用标准k s 湍流模型和s i m p l e c 算法，分别对采用五长叶片的常规叶轮和正交法优化设计得到的 长短各五叶片的复合式叶轮离心泵，在0 5 q 、0 8 q 、1 0 q1 2 q 、1 5 q 等不同运行工况 进行了三维湍流数值模拟研究。计算得到了两种模型方案内部流动速度场和压力场的分 布特征，着重分析比较了设计工况点下，两种叶轮方案内部的压力和速度分布规律。 本课题的主要创新点如下： 1 、以数理统计和正交理论为基础，提出了长短叶片复合式叶轮的优化设计方法， 并得到本课题所需的长短叶片复合式叶轮的最佳组合方案。 2 、提出了长、短叶片三维实体造型的空间柱面坐标法，解决了传统的平面翼型修 型方法中工作量大、操作复杂、造型不够准确等问题。 由于时间、条件和本人经验不足所限，本课题做的工作有限，有很多工作目前还没 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 有进行到位。文中给出的g s 2 5 型超低比转速高速离心泵长短叶片复合式叶轮水力模型 方案，还有很大的提升空间，有待于以后继续深入研究和探讨。 关键词：超低比转速；离心泵；复合式叶轮；三维造型；正交设计：数值模拟 硕七学位论文 皇寰皇曼皇曼皇鼍曼皇曼曼毫曼曼皇舅皇曼巴鼍皇曼曼皇蔓曼i i i m 一i m m 曼曼皇曼曼曼皇曼曼皇皇曼葛 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o s ti n d u s t r i a lf i e l d ss u c ha sp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g ya n de l e c t r i cp o w e r , a v i a t i o na n da e r o s p a c ei n d u s t r y , t h es u p e r - l o w s p e c i f i c s p e e d h i g hs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pg r a d u a l l yd e v e l o p t ot h ed i r e c t i o no fh i g h 。s p e e da n dh i g h p o w e r a n dw i t hd i v e r s i f i c a t i o no fm e d i u mt r a n s f e r r e db yi t ，e s p e c i a l l yt ot r a n s p o r tl o w - t e m p e r a t u r e v a p o r i z a t i o no fl i q u e f i e dg a sa n do t h e ra p p l i c a t i o na r e a sc o n t i n u e st oe x p a n d ，t h ec e n t r i f u g a l p u m pt h a ti sh i g hw a t e r - h e a da n d l i t t l ed i s c h a r g e ，i sw i d e l ya p p l i e d w h e t h e ri ti sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ev e l o c i t yc o e f f i c i e n tm e t h o da n dm o d e lc o n v e r s i o nm e t h o dw h i c h a r eb a s e d o nt h et r a d i t i o n a ls i m i l a r i t yt h e o r ya n dt h eu n a r yt h e o r y , t h a nt h e r eh a ss o m el i m i t a t i o n si nt h e d e s i g no fu l t r a - 1 0 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 pa n dr e s t r i c t i o n so ni t so w np e r f o r m a n c e a n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，i t se f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yh a v ef u r t h e ri m p r o v e m e n t t h ec f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ea d o p t e dt os t u d yi n t e r n a lf l o wp a t t e r no fd i f f e r e n t i m p e l l e rt y p e so fg s 2 5s u p e r - l o w - s p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p sw i t hs h o r tb l a d e su n d e r t h eo p e r a t i n gp o i n tc o n d i t i o n sa n dn o n - o p e r a t i n gp o i n t s ，t h ew h o l et h r e e - d i m e n s i o n a l t u r b u l e n tf l o wf i e l d so fc e n t r i f u g a lp u m p sw i t hl o n ga n ds h o r tb l a d e sa r ea n a l y z e d ，t og e tt h e b e s td e s i g n i n gs c h e m eo fs h o r tb l a d e sa n df i n dt h el a w so fi n t e r n a lf l o wa n dp e r f o r m a n c eo f t h es u p e r - l o w - s p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p sw i t hs h o r tb l a d e s t h em a i nw o r ka n d a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h et r a d i t i o n a lu n a r yt h e o r yf o rd e s i g n i n ga n dc o m b i n e dw i t ht h eb a s i c g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h ec o m p l e xi m p e l l e ro ft h eg s 2 5s u p e r - 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 l p u m pa r ed e s i g n e db yi n c r e a s i n gd i s c h a r g ec o e f f i c i e n ta n dt h ev e l o c i t ym o d u l u s t h ei n i t i a l s c h e m eo ft h eg s 2 5s u p e r - l o w s p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p sh a db e e nd e s i g n e d 2 b a s e do nt h es t a t i s t i c sa n do r t h o g o n a lt h e o r ya n dc o m b i n e dw i t ht h ef o u rm a i nf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ed e s i g no fs h o r t b l a d eo fc o m p l e xi m p e l l e rw h i c hc o n t a i n st h en u m b e ro f s h o r t b l a d e ，t h er a d i a li n l e tp o s i t i o n ，t h eb i a sa n g l ei np e r i p h e r a ld i r e c t i o na n dt h ed e f l e c t i o n a n g l e ，1 6 d i f f e r e n tt y p e so fc o m p l e xi m p e l l e r sw i t hd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n a lf o r m o f s h o r t b l a d e sh a v eb e e nd e s i g n e d b yr a n g ea n a l y s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e a 6 ( 4 4 ) o r t h o g o n a ld e s i g n i n gs c h e m e ，t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys e q u e n c ea f f e c t i n gp u m ph e a da n d e f f i c i e n c yo ft h ef o u rm a i nf a c t o r sw e r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ed e s i g np r i n c i p l e so f t h e mw e r ea l s op r e s e n t e d f i n a l l y , t h eb e s td e s i g ns c h e m eo fs h o r t b l a d ew a sg i v e n 3 at h r e e d i m e n s i o n a ls o l i df o r m a t i o no ft h eb l a d ei ns p a t i a lc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e s y s t e mw a sp r e s e n t e db yu s i n gp r o e b a s e do ns o f t w a r ef o r t h eb l a d eo fc o m p l e xi m p e l l e ro f t h eg s 2 5s u p e r - 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 et w o d i m e n s i o n a lh y d r a u l i cm o d e l h a sb e e nt r a n s f o r m e di n t os p a t i a lc o o r d i n a t e si nt h i sm e t h o d ，a n dt o a c h i e v eb l a d e m o d i f i c a t i o nb ya d j u s t i n gt h ec o o r d i n a t e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sm e t h o d d o e sn o tr e q u i r et h ev a r i o u sf l o wl i n ea m e n d m e n t s ，a n di ti ss i m p l ea n da c c u r a t ef o rb l a d e m o d i f i c a t i o n ，a n dl a y i n gar e l i a b l eb a s i sf o ri m p r o v i n gc f da n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no f m 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 i n n e rf l o wo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p 4 i nt h i sp a p e r , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nw a sb a s e do nt h ec o n t i n u i t y e q u a t i o na n dr e y n o l d s a v e r a g en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n t h e c o n t r o le q u a t i o nw a ss o l v e db y u s i n gs t a n d a r d k s t u r b u l e n c em o d e la n ds i m p l e ca l g o r i t h m t h et h r e e - d i m e n s i o n a l t u r b u l e n tf l o wf i e l d si nt h eo r d i n a r yc o n v e n t i o n a li m p e l l e rw i t hf i v eb l a d e sa n dt h eo r t h o g o n a l d e s i g no fc o m p l e xi m p e l l e rw i t hf i v eb l a d e sa n df i v es h o r t b l a d e sw e e ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y i nd i f f e r e n tw o r k i n go p e r a t i o n s ，w h i c ha r e0 5 q 、o 8 q 、1 0 q1 2 q 、1 5 q t h ed i s t r i b u t i o n o fv e l o c i t ya n dp r e s s u r eo ft o wi m p e l l e r si nd e s i g no p e r a t i o nw e r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e da n d c o m p a r e d m a i ni n n o v a t i o n si nt h i sr e s e a r c hw o r k ： 1 t h eo p t i m i z a t i o no r t h o g o n a ld e s i g no fc o m p l e xi m p e l l e rw i t hl o n ga n ds h o r tb l a d e s b a s e do nt h es t a t i s t i c sa n do n h o g o n a lt h e o r yw e r ep r e s e n t e d ，a n dt h eb e s ts c h e m eo fc o m p l e x i m p e l l e rw e r eg i v e n 2 at h r e e d i m e n s i o n a ls o l i df o r m a t i o no ft h el o n ga n ds h o r t b l a d ei ns p a t i a lc y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e s y s t e mw a sp r e s e n t e d i t i ss o l v et h a tt h ec o m p u t a t i o nf o rp l a n a rp r o f i l e m o d i f i c a t i o ni st i m e c o n s u m i n ga n dt h eo p e r a t i o nc o m p l e xa n ds oo n d u et ot h el i m i t so ft i m ea n dc o n d i t i o n sa n dm yl a c ko fe x p e r i e n c e ，t h e r ea r eal o to f w o r k sn o td o n ew e l l i ti sn o ts m i s f i e dt h a tt h eh y d r a u l i cm o d e lo fg s 2 5s u p e r - l o w s p e c i f i c s p e e dh i g hs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pi nt h i sp a p e r , a n d t e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r en o t e n o u g ha d v a n c e dt o o t h e r eh a sf u r t h e rr o o mf o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：s u p e rl o ws p e c i f i cs p e e d ；c e n t r i f u g a lp u m p ；c o m p o u n di m p e l l e r ：3 - d m o d e l i n g ；o r t h o g o n a ld e s i g n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 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：讽喙日彳 日期：加f 。年 6 月7 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。 作者签名：钥喙坼 导师签名：酾义 日期：汐f 。年6 月7 日 日期删年石月尹日 硕十学位论文 曼曼曼皇曼量曼量鼍量曼皇曼皇曼曼曼薯i l l i l l i i _ ：_ _ 。 i l i _ o 皇蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼 1 1 课题研究目的和意义 第1 章绪论 随着石油化工、冶金电力、航空航天等工业的迅速发展，离心泵也逐步向高速和大 功率方向发展，而且随着离心泵输送介质的多样化，特别是在输送易汽化介质和输送低 温液化气体等应用领域的不断扩展，扬程更高、流量更低的超低比转速高速离心泵得到 了应用广泛。一般认为，低比转速离心泵是指比转速3 0 0 ，在式( 2 3 2 ) 中要使 0 ，即： 2 一2 t o r ( 1 - e 一棚) 0 ( 2 3 4 ) 化简可得： 口 忑刀r d 2 s i n f l 2 ( 2 3 7 ) r w s i 设计复合式叶轮的关键是增加叶片数和减少叶片出口处流动法向方向宽度a ，以改 善叶轮内部的速度分布情况和防止回流产生。对于超低比转速高速离心泵，其尺值较 大，而相对平均速度较小，因此按式( 2 3 7 ) 计算所需的叶片数较大，这在实际设计时难 以达到，因此必须对式( 2 3 7 ) 进行修正，即： p 兰 亿3 酌 w r 一 2 3 复合式叶轮的设计计算 2 3 1 设计要求 本文设计的g s 2 5 型超低比转速高速离心泵的性能指标见表2 1 ： 流量扬程 转速 效率比转速汽蚀余量汽蚀比转速 q 炳3 h ) h | m n 时r a i n )仇 吃n p s h , , m 2 04 0 08 3 0 0 r h 6 5 2 5 4 0 1 2 5 0 2 3 2 设计计算 1 8 硕十学位论文 1 叶片数z 复合式叶轮的叶片数选择对高速离心泵的扬程、效率和汽蚀性能都有一定的影响， 选择的原则是一方面要尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦；另一方面又要保证液流在叶 轮流道里的稳定流动和叶片对液流的充分作用。对低比转速离心泵，c 普费莱德纳提出 了如下的计算公式： z ；d 2 + d ts i n ( 丝鱼) ( 2 3 9 ) d 2 一d 1 、 2 。 、。 对于叶轮其进口叶片数z 应取小值，这样可减少对叶片对液流的入口排挤，并降低 复合式叶轮的入1 2 1 动压降，从而提高叶轮的汽蚀性能。因此进口叶片数应该z l ；4 6 ， 本文所设计的水力模型采用进口叶片数为五= 5 。 2 2 节中已经阐述了复合式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乙应取较大值，同时满足式( 2 3 9 ) 的要求。为便 于加工，乙可取进1 2 1 叶片数的整数倍，即： z l k z l ，( k = 1 、2 、3 )( 2 4 0 ) 本文采用长叶片与短叶片数目相等间隔布置的复合叶轮型式，故长短叶片数均取5 。 2 叶片进出1 2 直径皿和功 文献【4 】提出采用诱导轮与复合式叶轮的拉出式匹配形式，复合式叶轮的进1 2 直径可 由下式确定： b 一( 0 8 0 9 5 ) 9 ,( 2 4 1 ) 其中包为诱导轮直径，文献【4 ，6 】建议q = 4 2 7 0 r a m ，由于本文设计不采用诱导 轮，故可认为进口直径d 1 = d ， 在工作参数一定的情况下，叶轮外径是确定泵扬程的最主要参数，目前离心泵设计 中普遍采用的速度系数法提出的叶轮外径的计算公式： d 2 吨华如2 白华 由于该公式中的k d ：是在对工作转速低于3 0 0 0 r r a i n 和比转速大于3 0 的离心泵进 行统计而得出的经验系数，因此用该公式来确定超低比转速高速离心泵的叶轮外径显然 是不适用的。本文采用扬程系数9 来确定叶轮外径的经验公式： 砬。6 0 ，犀 ( 2 4 3 ) 刀刀y 甲 由该泵的设计参数n 一8 3 0 0 r m i n ，h 一4 0 0 m ，再根据文献【4 ，6 】中推荐的扬程系数 妒。0 6 4 ，可确定叶轮外径，圆整后的d 2 。1 8 0 m m 。 3 叶片进出口安放角成和晟 设计超低比转速高速离心泵叶轮时，应采用较大的进口液流冲角，减小进口处叶片 的排挤，增大了叶片进口过流面积，即减小了叶片进口的液流绝对速度c 1 和相对速度m ； 采用正冲角设计，可以防止在设计流量下，在叶片非工作面产生的脱流向流道内扩散。 因此，综合考虑以上因素，对于进1 2 叶片安放角可取屈。1 7 。 1 9 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 由于超低比转速高速离心泵叶轮内部容易产生尾流和脱流，为能够使液流稳定地流 动，可以选取较大的出u i 安放角以提高扬程系数，可取出口安放角反；3 9 。 4 叶片进出口宽度反和6 2 叶片进出i = i 宽度对高速离心泵的效率、汽蚀性能有定的影响：反对叶轮进口的流 动性能影响较大：当6 1 增大时，叶轮和轮毂间的液流压差增大，同时叶尖与叶轮进e l 前 缘之间的压差也增大，因此使小流量工况下的进口回流增强，回流损失增加，同时也会 加剧叶轮流道内部的二次流的发展，从而使尾流射流结构加强和产生流动失速，使得 小流量区的扬程和效率下降。反应在离心泵的h q 特性曲线出现正斜率上升段。因此 从小流量稳定性方面考虑，反应取小值。 综合高速离心泵的汽蚀性能和魏对叶轮流道液流扩散程度的影响考虑，文献【4 ，6 】推 荐反的经验公式： 6 1 ，生煎( 2 4 q 口 、 其中a 为加速系数，取值范围为a 一0 5 0 8 ，本设计主要考虑能量性能，兼顾效 率和汽蚀性能可取口一0 6 9 。 叶片出口宽度6 ，从离心叶轮的欧拉方程： h im 詈 ；一面函q u 2 而飞( 2 4 5 ) 可以看出，离心泵的扬程流量特性曲线日一q 随b ：的增加而变得平坦，当增大到一 定值时，日一q 特性线会出现正斜率上升段，传统的经验公式： 吃_ 1 3 ( 主坫2 9 日k ( 2 4 6 ) 按此经验公式可以估算叶片出口宽度，但根据2 7 式计算得到的超低比转速高速离心 泵的叶轮出口宽度b 2 很小。目前对低比转速高速离心泵的设计，广泛采用加大流量设计 方法，可采用下面的经验公式： 乞a2 4 1 3 ( n s 1 0 0 ) 0 9 7 7 2 9 h 厶( 2 4 7 ) 由此式计算的叶片出口宽度玩= 7 m m 。 综合以上设计的叶轮参数见表2 。2 ： 进口直径出口直径进口角度出口角度进口宽度出口宽度 叶片 q m m d 、| m m 。| 嗡p 2 2 j l m m 也m m 数z 6 01 8 01 7 3 91 7 5 75 本文所设计的g s 2 5 型超低比转速高速离心泵叶轮的轴面图和木模图如下所示，注图 中单位为m m ： 图2 7 轴面投影图 工作面：单位( m ) 硕七学位论文 惑 77 、x i 辫 影n 0 图2 8 叶片平面剪裁图 表2 3 叶片工作面截线尺寸分布表 2 1 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 2 4 离心泵压出室的水力设计 2 4 1 离心泵压出室的作用和要求 通常所说的压出室是指从叶轮出口到泵出口法兰( 对节段式多级泵是次级叶轮进口 前，对于水平中开水泵则是过渡流道之前) 的过流部分。压出室是离心泵的重要组成部 分，并且和叶轮一样，是任何一个叶片式泵都不可缺少的过流部件。液体流出叶轮的绝 对速度很大，且具有很大的旋转分量，但进入下一级叶轮( 或进入压水管道中) 又要求 其速度降到叶轮入口要求的速度，绝对速度变小，旋转分量接近于零，因而压出室是转 换能量的过流部件。压出室的主要作用： 1 收集从叶轮中流出的液体，并输送到排出口或下一级叶轮吸入口； 2 保证流出叶轮的流动是轴对称的，从而使叶轮内具有稳定的相对运动，以减少叶轮内 的水力损失； 3 降低液流速度，使动能转换成压力能； 4 消除液体从叶轮流出的旋转运动，以避免由此造成的水力损失。 压出室按其结构可分为螺旋式压出室和叶片式压出室( 又称为导叶) 等基本形式。 尽管在设计原理上，螺旋式压出室与叶片式压出室并无原则上的差别，然而这种形式上 的差异，反映在水泵的性能、加工工艺、运行、维修等技术经济指标上，有着极大的差 别。从水力性能方面来看，螺旋式压出室流动比较理想，适应性强，高效率范围宽；而 叶片式压水室的过流形状差，适应性较差，高效率区较窄。从加工工艺方面来看，螺旋 式压出室过流部分不能进行机械加工，其几何尺寸，几何形状和表面光洁度完全由铸造 工艺保证；而叶片式压出室正相反，其几何尺寸，几何形状和表面光洁度，可根据设计 要求，进行机械加工。 本文针对超低比转速高速离心泵复合式叶轮出口绝对速度较高的特点，选择螺旋式 压出室，也称为蜗壳。蜗壳的主要作用是收集从叶轮流出的高速液流，并使其速度降低， 将其动能转变成压力能。由于流体在蜗壳中处于湍流状态，而且叶轮出口速度不均匀分 布，容易产生二次回流，因而蜗壳的设计，应该尽量避免产生二次流，并尽量减少蜗壳 内部的水力损失。 如果液体从叶轮流出后，进入两个平行的平板之间，当忽略液体的粘性摩擦力时， 这种液流不受任何外力作用，应遵从速度矩保持定理，即： 虼r a 如 ( 2 4 8 ) 蜗壳的形状最好应当符合这种流动规律来设计，用数学公式来表示这种流动的迹线 得到液体流动的轨迹之后，按此轨迹加厚做固体壁，就作出了符合流动的蜗壳形状， q t g 口。生粤磐；旦。c o n s t ( 2 4 9 ) 屹生2 j r b k 2 r 因q 、b 、砭为常数，所以流动的液流角保持不变，即是说液体从叶轮流出后的迹 线是一条对数螺旋线，液体流动方向和圆周方向的夹角口保持不变。 硕士学位论文 螺旋线上任意点的坐标可以表示为： t g a t g ；堕，婴。 ( 2 5 0 ) 。一r d q j 百2 t g a d 6 p 【2 5 u ) 设r 一恐时，妒一0 ，d 0 3 ，积分得： e 争留慨l i l 川n 马a t g a 3 c p , i n 会= t g 唧，r ；r 伊 ( 2 5 1 ) 利用叶轮出口稍后的速度三角形求得t g a ，给定不同的驴角，可求得相应的半径尺， 从而可做出这条对数螺旋线来。 实际中所用的蜗壳，为了减小径向尺寸，蜗壳宽度b 多是扩算的，这样可减小圪和 a 角，从而达到减小径向尺寸的目的。 2 4 2 离心泵压出室的设计计算 1 蜗壳基圆直径取 蜗壳基圆直径取应大于叶轮外径皿，且叶轮与隔舌之间要保持一定的间隙，对低 比转速高速离心泵，可取： 0 3 = ( 1 0 3 1 0 5 ) d 2( 2 5 2 ) 即蜗壳的基圆直径职一1 8 跏珊。 2 蜗壳轴截面形状的选择 蜗壳的断面形状主要有梯形、矩形和圆形三种。对于高速离心泵而言，蜗壳内的液 流速度很高，流动基本上处于阻力平方区的湍流状态，蜗壳流道的表面粗糙度对液流水 力损失的影响很大，因此必须降低流道表面的粗糙度。由于梯形和圆形断面的加工工艺 性能较差，因此高速离心泵宜采用铣削加工后可以打磨的矩形断面。 3 蜗壳宽度坟 蜗壳宽度坑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的功率，设计可按： 6 3 - ( 1 5 2 - 0 ) 6 2 ( 2 5 3 ) 即取蜗壳宽度b 3 a 6 r a m 4 隔舌角 隔舌位于蜗壳螺旋部分的始端，将螺旋线部分与扩散管隔开。将通过隔舌头部的断 面与第八断面之间的夹角定义为隔舌角，用表示。的大小应保证螺旋线部分与扩 散管光滑连接，并尽量减小径向尺寸。通常对于比转速n 越高的离心泵，轴面速度屹越s 大，螺旋角妒也越大，蜗壳外壁向径向扩展越大，因而取较大的隔舌角，反之亦然。 针对于超低比转速的高速离心泵，比转速更低，液流的轴面速度更大，为了协调螺旋线 的形状，本文选取隔舌角为一1 0 。 5 喉部面积f 喉部面积e 是蜗壳的最主要参数，喉部面积只的大小不仅影响整个蜗壳的大小，而 且还关系到蜗壳与叶轮的匹配。喉部面积只较大，高速离心泵的扬程流量特性曲线变得 平坦，最高效率点向大流量方向偏移，最高效率值增大；喉部面积z 较小，扬程流量特 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 性曲线变陡，最高效率点向小流量方向偏移，最高效率数值减小。喉部面积可按平均速 度恒定的原则计算，由于超低比转速高速离心泵的蜗壳喉部液流速度很大，且流动处于 湍流状态，所以设计时应取较大的喉部面积以降低液流速度和水力损失，这样有利于将 蜗壳加工成螺旋形。 即e = ( 1 - q 口o 3 6 0 ) q o a ( 2 5 4 ) 其中为隔舌角，为喉部液流速度， ；( 0 6 2 - 0 0 0 4 3 n ，) 4 2 9 n ( 2 5 5 ) 由以上两式计算得一4 3 8 0 m s ，e i l l1 2 3 3 2 r a m 2 。 综合以上计算的蜗壳各断面面积如表2 5 ： e 只 瓦eeeee 1 2 3 3 21 0 7 4 69 1 6 17 5 7 55 9 9 04 4 0 42 8 1 91 2 3 3 注：以上单位为( m t t l 2 ) 2 5 本章总结 本章对常规的水力设计中的相似换算法和速度系数法以及在低比转速高速离心泵 的设计中常采用的加大流量设计法、无过载设计法以及消除扬程曲线驼峰方法等设计理 论进行了简单介绍，并比较了的各种设计方法的异同；着重介绍了复合式叶轮设计方法 的特点，从内流理论基础之上，分析了增添短叶片对减少叶轮内部涡流和尾迹流的作用 原理；并根据复合式叶轮的设计原则，按课题的设计要求，完成了g s 2 5 型超低比转速高 速离心泵复合式叶轮的水力设计，得到了复合式叶轮长叶片的轴面投影图和平面剪裁 图，并根据已确定的复合式叶轮，进行了蜗壳的水力设计，为g s 2 5 型超低比转速高速离 心泵的实体造型奠定基础。 硕士学位论文 i：i=i=in = i | ii 皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼蔓曼皇曼蔓! 曼曼曼曼皇蔓毫舅皇曼曼曼葛曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼皇曼舅曼曼曼鼍量曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼量曼曼曼兰曼曼曼曼曼曼置 第3 章复合式叶轮短叶片的优化设计 3 1 离心泵优化设计方法概述 1 常见的优化设计方法概述 优化水力设计是高速离心泵设计研究热点问题之一，也是提高离心泵性能的主要措 施。从目前发表的研究成果来看，离心泵的优化设计方法主要有极值损失法和准则筛选 法两种1 5 l j 。 ( 1 ) 极值损失法 离心泵效率是与损失密切相关的，要使离心泵具有最高的效率就得保证离心泵的损 失最小。极值损失法的思路是建立泵内部各种损失和各过流部件几何尺寸之间的关系， 通过求解使离心泵内损失最小，从而使离心泵获得最为理想的性能指标。 各种损失与离心泵各过流部件几何参数之间的关系为： = z ( j q ，x 2 ，) ( i = 1 ，2 ，n ) ( 3 1 ) 离心泵总的损失为： 酏一罗五“，x 2 ，) ( f 一1 ，2 ，以) ( 3 2 ) 7 ：i筒 极值损失法是在为保证设计工况点的扬程和流量的条件下，通过各几何参数 毛，x 2 ，k 的不同组合，使离心泵的总损失为最小值，从而使离心泵能够取得最好的性 能指标。该方法由严格的数学方法作为基础，只要求出各损失值，就能够通过数学规划 的方法进行寻优，并求出离心泵各过流部件的几何参数的最佳组合。该方法所存在的问 题是如何精确的计算各种损失值。文献【6 】中，朱祖超曾于1 9 9 2 年提出了以效率为目标 函数，以汽蚀性能和工作稳定性为约束的高速诱导轮离心泵机组的优化设计方法。由于 该方法没有建立与轴面形状及叶片形状之间的关系，因此无法优化叶轮的几何尺寸。 由于流动测试技术的发展，使得离心泵内复杂的流动情况已逐渐被人们所认识，因 此建立在流场分析基础之上的各项损失计算、性能预测及优化设计方面取得了很大进 步。英国国家工程实验室n e l 的研究员经过十几年的努力，提出了一元初步设计三元 分析校核的水力优化设计方法。w a t z d t 提出了水力机械设计实时系统c a d 方法，他的 设计方法是首先采用一元理论初步设计并用三元流场分析理论进行校核，分析其轴面形 状和叶片形状是否合理，直到设计结果令人满意为止。 ( 2 ) 准则筛选法 该方法是在对离心泵叶轮的内流机理分析的基础上，根据设计参数和假设的优化准 则确定叶轮等过流部件的几何尺寸，建立减小各项损失与控制性能指标的目标函数，寻 求离心泵叶轮和蜗壳等过流部件的几何参数的各种组合，从中筛选出最佳方案。并通过 正问题校核流动状况，在根据计算结果，修正有关几何尺寸和优化准则，再进行优化计 超低比转速高速离心泵复合式叶轮内部流动及其性能研究 算和正问题校核，直至得到满意的计算结果。由于该方法的出发点和归宿点都是反问题 计算，即根据具体设计参数和指标计算出相应的离心泵叶轮和蜗壳等过流部件的几何形 状和尺寸，正问题计算是校核反问题计算中所用的某种流动状况假设，因此该方法也被 称为反一正一反优化法。准则筛选法不仅可以优化几何尺寸，还能优化叶轮形状，是较为 理想的优化设计方法，该方法在风机设计中得到了很好的应用哺。但在低比转速高速离 心泵的设计上应用的很少，特别是对超低比转速复合式叶轮高速离心泵，目前还没有见 到相关的文献报导。 2 正交试验方法概述 o ) i e 交试验方法的目的和意义 正交试验设计是以概率论与数量统计为理论基础，经济地、科学地安排试验的一项 技术方法，其主要内容是研究如何合理地安排试验和正确地分析试验数据，从而达到尽 快地获得优化方案的目的f 5 2 , 5 3 】。 目前，国内外广泛采用的正交试验设计法又称正交试验法、正交设计法或正交法， 它是一种安排和分析多因素试验的科学方法，是以人们的生产实践经验、有关的专业知 识和概率论与数理统计为基础，利用一套根据数学上的“正交性原理而编制并已标准 化了的表格正交表，来科学地安排试验方案和对试验结果进行计算、分析，找出最优 或较优的生产条件或工艺条件的数学方法。国内外实践表明，试验设计可以帮助我们有 效地解决如下问题： 科学地、合理地安排试验，减少试验次数，缩短试验周期，提高经济效益，尤其 当因素、水平较多时效果更为显著。例如对于一个7 因素2 水平的问题，若按排列组合 则需要2 7 - 1 2 8 次试验，但若选用厶( 2 7 ) 正交表进行正交试验，仅需8 次试验就能反映 1 2 8 次试验情况。 在产品设计和制造中，影响指标值的因素往往很多，通过试验设计就可使我们在 众多的因素中分清主次，找出影响指标的主要因素。例如影响离心泵特性曲线形状及效 率的几何参数很多，但哪些是主要因素，哪些是次要因素，通过正交试验就可以分清。 通过正交试验设计可以了解各因素之间的交互作用，显然离心泵各几何参数之间 是互相联系的，他们之间的相关程度究竟如何，可以通过试验设计可以确定。 通过正交试验设计的方差分析，可以分析出试验误差的大小，从而提高了试验的 精确度，同时能预估试验指标值及波动范围，即确定目标值的期望值及置信区间。 通过试验设计，能尽快地找出要求的设计参数和生产工艺条件，迅速地找到优化 方案。通过对试验结果的计算、分析，可以找出为达到最优方案进一步试验的方向。 ( 2 ) 正交试验的因素和水平 试验因素 对试验指标特性值可能有影响的原因或要素称为因素。因素也称为因子，它是进行 试验时重点考察的内容。因素一般用大写字母a 、b 、c 来标记。在确定试验因素 时，必须以专业知识和实践经验为基础，它尽可能列出与研究对象目标有关的各种因素，