（流体机械及工程专业论文）潜水电泵的节能技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 潜水电泵广泛应用于给水工程、农业灌溉领域中，其节能问题一 直倍受关注。本文通过理论分析和数值计算方法，对潜水电泵内部流 场进行了分析，研究提高潜水电泵水力效率的措施，预测优化改进后 潜水电泵的节能效果；同时，提出潜水电泵配套电机和潜水电泵装置 的运行节能措施。主要工作和研究结果如下： ( 1 ) 理论分析潜水电泵叶轮和蜗壳的几个主要几何参数对潜水 电泵性能的影响，得到提高潜水电泵的水力效率的措施。同时，分析 了潜水电泵制造工艺性对潜水电泵性能的影响。 ( 2 ) 选择q d x l 5 8 0 5 5 潜水电泵作为算例。采用p r o e n g i n e e r 软件对潜水电泵的叶轮和蜗壳的流道进行三维实体建模；采用 f l u e n t 软件对模型进行数值计算。通过分析潜水电泵内部流场的静 压分布和速度矢量分布情况，研究整个流场的水力损失分布。并研究 该潜水电泵实际的完整流道的流场。 ( 3 ) 将该潜水电泵性能预测的结果与试验数据对比，验证数值 计算预测水力性能的可靠性。并改变叶轮的几个主要几何参数，设计 8 个方案进行优化改进，通过数值计算验证理论分析所得结果。通过 比较优化改进前后的水力效率一流量曲线，得到优化设计的节能效果。 优化改进后潜水电泵的最高效率比改进前的高4 5 ，且高效区加宽。 ( 4 ) 通过分析潜水电泵电机的内部损耗，提出提高电机效率、 扩大高效区范围的措施；研究使电机最佳工况点和泵的最佳工况点重 t 江苏大学硕士学位论文 合的设计方法；分析变频调速在潜水电泵节能中的应用效果。同时， 从潜水电泵的选型和运行方面，介绍减小潜水电泵系统能耗的措施。 关键字：潜水电泵，节能，数值模拟，性能预测，优化设计 江苏大学硕士学位论文 s u b m e r s i b l ee l e c t r i cp u m pi sw i d e l yu s e di nf i e l d so fw a t e r - s u p p l y e n g i n e e r i n ga n da g r i c u i t u r ei r r i g a t i o n , t h ee n e r g ys a v i n gt a s ki sa l w a y s p a i dm o r ea t t e n t i o n t h em e a s u r e so fi m p r o v i n gi t sh y d r a u l i ce f f i c i e n c y a r ep r e s e n t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a n d t h ee f f e c to fe f f i c i e n c yi m p r o v i n gf o rt h eo p t i m i z a t i o ni sf o r e c a s t e d m e a n w h i l e ，t h em e a s u r e so fs a v i n ge n e r g yf o rt h em o t o ra n dt h ew h o l e e q u i p m e n ta t ep u tf o r w a r d t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r eo u t l i n e da s f o l l o w i n g ： ( 1 ) s o m ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so fi m p e l l e ra n dv o l u t ea r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt oo b t a i nt h ee f f e c to np u m pp e r f o r m a n c e s o m e m e a s u r e so f m p r o v i n gt h eh y d r a u l i ce f f i c i e n c ya r ep r e s e n t e d ，m e a n w h i l e ， t h ee f f e c to fm a n u f a c t u r et e c h n i q u e so nt h ep e r f o r m a n c eo fs u b m e r s i b l e e l e c t r i cp u m pi sa n a l y z e d ( 2 ) q d x l 5 8 - 0 5 5s u b m e r s i b l ee l e c t r i cp u m pi s s e l e c t e da sa n e x a m p l e t h e3 - dm o d e lo ft h ei m p e l l e ra n dt h ev o l u t ei sb u i l tb yu s i n g t h es o f t w a r eo fp r o e n g i n e e r , a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n eb yu s i n g f l u e n t s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef o c u so nt h ed i s t r i b u t i o no fh y d r a u l i c l o s so ft h ew h o l ef l o wf i e l d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ea n d v e l o c i t yv e c t o ra t ea n a l y z e d t h ew h o l ef l o wf i e l do fs u b m e r s i b l ee l e c t r i c p u m p i ss t u d i e d h i 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) b yc o m p a r i n gt h er e s u l to fs i m u l a t i o np r e d i c t i o na n dt e s tr e s u l t , i ts h o w st h a tn u m e r i c a lp r e d i c t i o no ft h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ei s a v a i l a b l e e i g h ts c h e m e s a r ed e s i g n e dw i t hd i f f e r e n ti m p e l l e rg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s t h ee f f e c to fs a v i n ge n e r g y i sg a i n e df r o mc o m p a r e sw i t ht h e o r i g i n a lh y d r a u l i ce f f i c i e n c y - f l o wr a t ec l l r v e t h ee f f i c i e n c yo ft h e o p t i m i z a t i o ni s4 5 h i g h e rt h a nt h eo r i g i n a ls u b m e r s i b l ee l e c t r i cp u m p a n dt h eh i g he f f i c i e n ta r e ab e c o m ew i d e r ( 4 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm o t o ri n n e rl o s s e s ，t h em e a s u r e so f i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n de n l a r g i n gt h eh i g he f f i c i e n c ys c o p eo ft h e m o t o ra r es t u d i e d ；a n dt h ed e s i g nm e t h o dt om a k i n gt h eo p t i m a lp o s i t i o n o v e r l a pt h a to fp u m pi ss t u d i e d ；a n dt h eu s a g eo fa d j u s t i n gr o t a t es p e e d t h r o u g hf r e q u e n c yc o n v e r s i o ni sa n a l y z e da l s o m e a n w h i l e ，f r o mt h e a s p e c to ft y p es e l e c t i o na n do p e r a t i o nc o n d i t i o n , t h em e a s u r e so fs a v i n g e n e r g yo fs u b m e r s i b l ee l e c t r i cp u m ps y s t e m sa r ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：s u b m e r s i b l ee l e c t r i cp u m p ，s a v i n ge n e r g y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , f o r e c a s tp e r f o r m a n c e ，o p t i m i z a t i o n i v 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 文作一：唾甥指剥币砖却辱 卯7 年6 月年l i 二，c 力年g 月厶li 独创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，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拯。 学位论文作者签名：套胡 日期：卯7 年莎月争日 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 潜水电泵是应用最广泛的排灌机械之一。它机电一体潜入水中，结构简单， 使用方便。经过多年的发展，潜水电泵的型式、品种和质量都基本上满足了广大 用户的需求。潜水电泵的节能技术发展也很快，通过采取一系列措旖，进一步提 高效率，节省能量。但目前使用中的一部分潜水电泵，由于设计、生产和使用上 的原因，其运行效率仍然很低，造成能量的浪费。而且目前我国水资源贫乏、能 源短缺，所以采用有效的节能技术是当务之急。 随着计算机技术的迅速发展，c f d 技术己广泛应用于流体机械内部流动的 研究。c f d 是在流动基本方程的控制下对流动的数值模拟。c f d 方法与传统的 理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。数值模拟的 优点在于能解决理论研究和试验研究无法解决的复杂流动问题，因此，用数值方 法研究叶轮内部流场已成为改进和优化叶轮设计的一个重要手段。 1 2 潜水电泵国内外发展简况 据文献【1 】所述，1 9 2 8 年，美国b y r o nj a k s o n 公司首次研制出潜水电泵，至 今已有将近舳年了。随后到了3 0 年代，德国p l e u g e r 公司、英国h a y w a r d p y l e r 公司，德国k s b 公司、r i t z 、美国b j 公司、日本日立公司等相继开始生产深 井潜水泵。1 9 4 8 年瑞典f l y g t 公司，首次研制成功排水用作业面潜水电泵，1 9 5 6 年生产出潜水排污泵。到了6 0 年代美国、英国、德国、日本也都大批量生产潜 水电泵。 国外利用先进的c a d 、c a m 、c i m s 技术，可以在最短的时间完成优质水 泵的设计、制造，中小型泵设计技术向模块化方向发展，从而，减少零部件和备 件的库存，降低生产和管理成本，缩短交货周期。一些工业发达国家的大型泵站 向智能化“无人看守”方向发展，不但可以实现全流域的中央控制室远程调度、 优化运行，还可以进行故障诊断，使设备的维修体制由计划维修变成预知维修， 江苏大擘硕士学位论文 提高设备的利用率。中小型泵站向应用p l c 、变频等节能智能化控制方向发展。 在我国6 0 年代开始生产n o 型农用深井潜水泵，经过改进，发展到现在的 q j 型深井潜水泵。我国于1 9 5 8 年由上海人民电机厂开始生产7 k w 作业面潜水 电泵，到6 0 年代发展为c ! y 型潜水电泵；到7 0 年代发展了q s 系列小型潜水电 泵；年代，又发展了干式电机的o x 和q d x 小型潜水电泵。8 0 年代后期， 开始生产污水潜水电泵。 近几年潜水电泵科研和制造技术在我国发展较快，抽取地表水的小型潜水泵 大量进入市场，在中小型泵的市场中占据了较大的份额。大中型潜水轴流泵和混 流泵也逐渐走入市场，有扩大的趋势。井用潜水电泵早已占据了井用泵的绝大部 分市场。污水污物潜水电泵发展也较快，是市场形势较好的产品。走向“潜水化” 是我国农用泵产品发展的一个趋势。中国高原山区面积较大，需要高扬程水泵。 井灌区的地下水位逐年下降，也需要高扬程的井用泵。国内市场对高扬程泵需求 量将大大增加。 叶轮和蜗壳是潜水电泵的重要过流部件，其水力损失的大小直接影响到潜水 电泵的性能。尽快提高潜水电泵的水力性能，将是今后潜水电泵发展的主要方向。 随着计算机技术和计算流体力学不断发展，潜水电泵的研究方法和手段也越来越 丰富。潜水电泵的研究和设计从最初的经验设计，半经验半理论设计；设计工具 从手工设计，二维c a d 辅助设计，发展到现在的三维参数化设计；研究和设计 手段从最初的试验测试方法到现在的c f d 数值模拟技术；研究和设计的理论基 础从一元流动理论、二元流动理论，发展到目前的三元流动理论。 1 3 c f d 技术在流体机械中应用的发展 1 9 5 2 年，吴仲华【2 】教授的s 1 、s 2 两类相对流面理论产生后，叶轮机械内流 无粘数值模拟得到了迅速发展。从7 0 年代中期以后，粘性流体的数值模拟开始 得到发展。舳年代，时均n a v i e r - - s t o k e s 方程加湍流模型的叶轮内湍流数值模 拟得到了迅速发展。这些新的计算方法也很快成熟和标准化，成为c f d 软件的 一部分，极大地推动了流体机械的数值模拟发展。 2 0 世纪7 0 年代以来，c f d 软件诞生在美国，但真正得到较广泛的应用是近 几年的事。飞速发展的计算流体力学为实验研究和理论研究都起到了促进作用， 2 江苏大学硕士学位论文 也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多的分析方法得到发展和完善。近几 年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解 法；过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段 在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都 可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具， 而且还作为设计工具在很多领域发挥作用。对于潜水电泵内部的流体流动，过去 主要借助基本的理论分析和模型试验，而现在大多采用c f d 的方法加以分析和 解决。自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d i f 、f l u e n t 等多个商用a d 软件。 目前，潜水电泵的性能已得到了较大的提高，基本满足了国民经济和社会发 展的需要。对于潜水电泵的节能这一课题，有理论分析、试验研究、和数值模拟 三种方法。理论分析的方法的优点在于所得的结果具有普遍性，各种影响因素清 晰可见，是指导实验研究和数值计算方法的理论基础。但理论分析方法要考虑到 每一个影响因素及相互作用关系，在短期内精确的分析几乎是不可能的，不能满 足工业发展的需要。以前，都是通过模型试验来掌握性能，测量内部流态，找出 损失发生部位，然后进行改进，再次通过模型试验加以验证。试验测量方法所得 到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。 但是试验的方法往往受到模型尺寸、测量精度及人身安全的限制，有时很难通过 试验方法得到结果；再者，试验研究还会遇到费用高、周期长等许多困难。随着 c f d 分析技术的发展，流体机械的优化设计则大为简化。它解决了理论研究和 试验研究难以解决的复杂的流动问题，用数值分析方法研究潜水电泵内部流场已 成为潜水电泵优化设计的一个重要手段，对潜水电泵的节能这一课题是很有效的 方法，可大量节省时间，缩短开发周期，降低设计成本。用数值方法研究内部流 场方法应用越来越广泛。 1 4 本课题的意义 潜水电泵是给水工程、农业灌溉中主要的动力设备，其中，潜水电泵的电耗 是其生产成本的主要部分，提高潜水电泵的效率是我们的当务之急。目前，由于 设计和生产上的原因潜水电泵的能量浪费很严重，面对我国水资源贫乏和能源短 3 江苏大学硕士擘位论文 缺的现状，本课题通过对潜水电泵运行的全过程进行分析并提出一系列节能技 术，提高潜水电泵的运行效率、减少能量及水资源的浪费。 1 5 本课题研究内容 潜水电泵主要由泵和电机组成的，其结构如图1 - 1 所示，图为q d x l 5 8 - 0 5 5 潜水电泵的总体结构图和其主要过流部件叶轮、蜗壳的实体图。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 通过阅读大量文献，了解潜水电泵的现状和潜水电泵节能技术这一课 题的研究背景，并研究c f d 技术在流体机械中的应用i ； 景。 1 一叶轮2 蜗壳3 一电机 ( 1 ) 总体结构图 4 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 叶轮实体图( 3 ) 蜗壳实体图 图i - iq d x l 5 - 8 - 0 5 5 潜水电泵的总体结构图 ( 2 ) 从理论上分析潜水电泵叶轮和蜗壳的几何参数对潜水电泵性能的影响， 研究参数包括：叶片进口角、叶片出口角、叶轮出口宽度、叶轮外径、叶片出口 边、流道形状、叶片型线等。并分析潜水电泵制造工艺性对潜水电泵性能的影响。 ( 3 ) 选择o d x l 5 8 0 5 5 潜水电泵作为实例，采用三维造型软件p r o e n g i n e e r 和计算流体力学专用软件g a m b i t 、f l u e n t 对其叶轮和蜗壳进行实体建模、 网格生成、前处理、数值计算。并通过分析潜水电泵内部流场，研究水力损失的 存在。 ( 4 ) 基于q d x l 5 8 0 5 5 潜水电泵内部流场的数值计算进行性能预测，并对 潜水电泵作优化设计。对理论分析所得节能措施进行验证。 ( 5 ) 研究潜水电泵除了提高水力效率的其他节能方法。研究提高潜水电泵 电机的效率并使电机效率和泵的效率匹配的方法。研究潜水电泵选型和合理应用 的节能方法。 5 江苏大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章潜水电泵水力设计的理论分析 潜水电泵理论分析是试验研究和数值计算方法的理论基础，在潜水电泵的设 计中起着重要的作用。由于潜水电泵内部结构复杂无规则，液流在泵内流动的水 力现象比较复杂，因此到目前为止，还不能从理论上精确计算出泵的各种损失， 目前估算损失的方法，主要是能量平衡实验和半理论的经验公式。本章理论分析 的同时根据经验公式，研究潜水电泵主要过流部件一叶轮、蜗壳的主要几何参 数对潜水电泵性能的影响，并提出水力设计的优化方法。 2 2 潜水电泵叶轮和蜗壳主要几何参数对其性能的影响 叶轮和蜗壳主要几何参数包括：叶片数、叶轮进口直径d 卜叶轮出口直径 正1 2 、叶片进口安放角，j 、叶片出口安放角岛、叶片厚度、叶片出口边厚度、叶 片出口宽度幻、叶片叶型、整个流道、口环间隙等。每个几何参数对潜水电泵的 效率都有影响1 3 嘲。一般优化设计应注意，不能仅仅追求潜水电泵的效率，有时 需要稍牺牲效率指标以求达到规定的其他性能指标；分析泵的每个几何参数时， 要考虑到它对其他参数的影响，并考虑其变化的范围；必要时应借鉴经验公式或 经验数据。 2 2 1 叶片数z 的合理选择 对于比转数比较低的潜水电泵，由于其流道狭小，叶片数太多会造成叶片进 口的阻塞；减小过流面积，增加流道摩擦损失；如果铸造工艺也不好，叶片表面 的损失会更大，效率会降低。可见叶片数的选取不宜过多。根据经验值，一般取 5 7 为最佳。叶片数的选择一般根据比转数决定，如表2 _ 1 1 6 1 所示。 表2 - 1 叶片数与比转速变化关系 见 3 0 4 54 5 6 06 0 1 2 01 2 0 3 0 0 3 0 0 z9 1 07 86 74 63 5 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 叶片进口安放角对泵性能的影晌 图2 - 1 增大叶片进口安放角后的变化 增大叶片的进口角，使其大于进口相对液流角，能够减小大流量时水流在叶 轮进口处的冲击，减小水力损失。同时，从图2 - 1 可见，增大叶片进口安放角可 相对增大叶片进口过流断面面积，减小排挤；同时，在流量不变的情况下，增加 进口过流断面面积，进口速度 ，减小。 av=q=c(2-1) 其中：a 进口过流断面面积，彳； 1 卜_ 进口速度，膨白 r 常数； 由沿程损失的公式可得，减小过流速度和流道长度都能减小沿程水力损失。 式( 2 - 2 ) 为沿程损失的计算公式【1 1 ： 觇：箕兰(2-2) 7 4 r 幻 其中：4 _ i l r 沿程损失，m ； k 水力半径，所； 阻力系数，阻力系数与液体粘性和过流表面粗糙度有关，为了减小 阻力系数，应尽量减小过流表面的粗糙程度。现在有些泵的叶轮、导叶等采用精 密铸造，并修光，由此可提高效率2 形 3 1 i 。 可见，适量加大叶片进口安放角，减小叶轮过流表面粗糙度都能减小沿程水 力损失。 7 江苏大学硕士学位论文 为了减少水力损失，应增大叶轮的进口角，叶轮进口安放角表示为： 尾一届+f(2-3) 叶片进口液流角夕j 由计算得出，所以叶片进口角的选取是指冲角的选取，一般 不超过巧。为宜。兼顾其抗汽蚀性能，经验值【1 】选取正冲角，通常f = 3 。以5 。 2 2 3 叶片出口安放角对泵性能的影响 叶片出口安放角增大，叶片弯曲度会减小，叶片的相对长度减小。对于比转 速比较低的潜水电泵，由于其外径z ) 2 相对较大，圆盘摩擦损失占的比重很大， 因此，为了减少摩擦损失，可以适当增加叶片出口安放角p 2 。从叶轮流道摩擦 损失4 b 的公式1 8 9 】可得到出口安放角与圆盘摩擦损失的关系。叶轮流道摩擦损 失公式如下： 嘶2 掌岛料 ) 其中：d r 一叶片进口边平均直径，m ； d r 叶轮外径，m ； 砭广_ 一流道水力摩擦损失系数； f 裕程阻力系数； 广叶片出口角，。； r - 叶轮流道水力半径，m ； r 叶轮出口轴面速度系数； 肛一设计扬程，坍； 扯叶片数。 图2 - 2 改变出口安放角后的出口速度三角形变化 从式( 2 - 4 ) 可以看出，增大叶片出口安放角2 ，能减少叶轮流道的摩擦损 8 江苏大学硕士学位论文 失。在降低摩擦损失的同时，叶片出i = i 安放角的增大还会引起其它参数的变化。 它会引起出i = 1 速度三角形变化，如图2 - 2 所示，当其他条件相同时，2 增大到 芦2 ，相应引起y 五的变化，使增加到k ，导致扬程日增加。 用以下公式同样可以得到相同的结果，扬程公式【1 0 l 为： = 譬一面u 2 c o 丽t 犀2 yq ( 2 - 5 ) 式中，王f r 。为叶片数无限多时的理论扬程。由式( 2 - 5 ) 可以得到当2 岛q 图2 - 5 也与理论扬程的关系 关于出口宽度6 2 的最佳值，可按以下经验公式1 1 】确定： 对于比转速n s 一 d 许可最大车削 2 d 1 5 j j 鳓7 口 量( d 2 - d 2 ) i d 2 最高效率下降车小1 0 下降1 车小4 下降1 对于高比转数的潜水电泵，叶轮的切削一般都采用斜切1 6 7 1 。因为高比转数 潜水电泵的叶轮比较宽，前后盖板流线长度相差比较大。如果直切叶片使其出i = i 边与轴线平行，那么前后盖板流线长度不同，流体流经前后盖板出现二次回流， 这不但增加水力损失，而且使扬程曲线易产生驼峰。尤其在泵的扬程比较高的情 况下，斜切叶轮出口可以适当地降低泵的扬程。叶轮外径的斜切通常保持前盖板 不变，依一定的角度斜切叶片以及后盖板。 叶轮外径主要是由其扬程hf 或流量q ) 和比转速确定的，有如下经验 公式【l l 。 咖：丝nk d 2 = 1 9 2 压( 2 - 1 1 ) y l u u 或咖c d ：摆 c ：d 2 = 箐 、f 1 0 0 首先近似认为叶轮外径车削前后的出口过水断面面积和叶轮出1 = 1 安放角兄 分别相等。那么，车削前后的流量，扬程和功率之比分别为： q o ：岛垫墨g 塾：监；生( 2 - 1 3 ) q ? 兄珊v 艉：见 娶：u 2 a v u 2 ：( 刍2 ( 2 - 1 4 ) 日 蚝v n、d 2 “ 江苏大学硕士学位论文 墨：盟：( 生p ( 2 - 1 5 ) pq h 、d 7 由( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式可得到h 和q 的关系式： h-kt22(2-16) 由所需工作点a ( 以，q 4 ) 可求出k 值以及叶片的车削抛物线，如图2 - 6 所示。 车削抛物线与叶片的h - q 曲线有交点口( 碡力，如图2 - 6 所示。将王k 么和耳q 以及叶轮外径上) 2 带入( 2 - 1 3 ) 或( 2 - 1 4 ) 或( 2 - 1 5 ) 式，可得到理论车削后d 知 的值。 h 图2 - 6 车削抛物线及车削叶轮后各曲线的变化 图2 - 7 切削系数量与比转数他的关系图 由于车削量要尽量小，所以要校正以上理论计算得到的d _ 知。应该按照式 ( 2 1 7 ) 校正车削量： a d 2 - k ( d 2t_dk)(2-17) 式中，k 为切削系数，k 1 3 0 7 1 时k i 。应看待( 2 - 1 8 ) 的应用局限性。 3 当叶轮外径改小时，其流量、扬程、功率都要降低，同时效率也稍有下 降，且最高效率点向小流量方向移动，但小流量区的效率有所增加。 3 叶片出口边对泵性能的影响 由于叶片具有一定的厚度，尤其是当叶片出口角很小的时候，叶片在出口圆 周方向厚度很大，因此在叶片尾部就会形成分离旋涡造成损失。而且叶轮内产生 的分离不是单纯的扩散作用，而是与二次流有很大的关系，这些都严重地影响了 潜水电泵的效率。通常修薄叶片背面，可减小分离旋涡，降低水力损失。同时， 在设计出口宽度也的基础上将叶片出口边削薄，能够增加出口面积，使出口速 度降低，使进入压水室后转变为的压力降低，损失降低，提高水力效率。 但是叶片出口边的削薄，也有副作用。对于复杂的流道截面形状，可用叶轮 流道的出1 2 1 与进口面积之比例a 必j 表示其扩散度。修叶片出1 2 1 边背面，使出1 2 1 面积a 2 增大，叶片流道扩散度更大，从而增大分离损失，稍微影响效率。 2 2 5 叶片的型线及流道的形状对泵性能的影响 比转数较低的潜水电泵，叶轮一般采用圆柱型叶片。随着比转数的增加，叶 片的宽度不断增加。叶片有一定的宽度，直接导致了在叶片入口边各点液流进入 叶轮的方向出现较大的差异。因此，为适应液流方向，改善入口流动状态，在潜 1 4 江苏大学硕士学位论文 水电泵叶轮设计过程中常常在叶片入口边不同点选取不同的安放角，形成扭曲叶 片。目前由变角螺旋线设计方法设计的叶型规则性强、可靠性好、线型规则流畅。 实践表明【2 1 1 ，将高比转数潜水电泵圆柱叶片改为扭曲叶片，能更好的适应液流 方向，降低冲击损失，提高潜水电泵的效率。 潜水电泵流道的几何形状是比较复杂的，根据流量、扬程等技术参数计算泵 的几何尺寸，流道的水力设计几何尺寸直接影响潜水电泵的性能。为了减小水力 损失，整个流道的结构和形状要合理，过流断面的变化趋势要均匀，且应符合一 定的规律。同时实践表明，减小隔舌间隙，可以降低间隙处的各种损失，可以提 高小流量区域的扬程和效率。 2 3 提高潜水电泵的制造工艺 潜水电泵的设计要通过制造来实现。为保证潜水电泵的设计性能，首先要提 高制造的准确性。对铸造件，特别是过流部件，在模具制作、造型、浇注、加工 过程中，要严格把好质量关，使产品符合设计要求，尤其是在批量生产时，绝对 不能忽视加工过程的精确度。对叶轮，一般可采用整体成形。如制造和使用条件 允许，可用工程塑料代替金属，采用模压、挤压、注射成型等方法，以提高制造 精度，减轻质量偏心而引起的不平衡，使泵能稳定运行，从而减小泵的振动，减 轻叶轮和机械密封的磨损，减轻轴承负载，提高电泵使用的可靠性和整机使用寿 命。另外，从减小液体的摩擦损失考虑，在泵制造时，应尽量减小过流通道表面 的粗糙度，以降低泵的水力损失，提高泵的效率。尤其对比转速较低的潜水电泵， 比转速越低，因制造工艺可提高效率的幅度越大。 2 4 本章小结 本章采用理论分析的方法，研究潜水电泵叶轮和蜗壳的几个主要几何参数对 潜水电泵性能的影响，分析潜水电泵水力设计的改进方法，包括：适当增大叶片 的进口安放角并减薄叶片进口边，适当增大叶片的出口安放角，增加叶轮出口宽 度，修叶片出口边背面，将圆柱叶片改为扭曲叶片，改进整个流道的结构和形状。 通过改进以上几个几何参数，理论上能够减小潜水电泵的损失，提高潜水电泵的 效率。本章还介绍了提高潜水电泵的制造工艺对潜水电泵节能技术的影响。 江苏大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章潜水电泵内部流场的数值计算 c f d 方法、传统理论分析方法和实验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系。而且c f d 方法克服了理论分析方法和实验测试方法的许多困难如： 经费投入、人力和物力的巨大耗费以及周期长等。很多文献1 2 2 珏刎已经证明， c f d 技术在流体机械领域己显示出了明显的优势。用c f d 方法研究流体机械内 部流场已成为其优化设计的一个重要手段。通过第二章的理论分析，研究了潜水 电泵叶轮和蜗壳的主要几何参数对潜水电泵性能的影响。在此基础上，本章采用 c f d 技术进行对潜水电泵内部流场数值计算，并分析损失分布，为提高潜水电 泵效率的优化设计作铺垫。 。、 彳 p 2 。为了不造成能量浪费，取乃= 最。= j 2 p n 。如图4 啊2 可见，当潜水电泵 的最大流量为q 。= i 2 q s 时，电机的输出功率p = 乃。= j 2 p 1 v 。实践表明【3 l ， 根据泵的型式和参数的不同，选用配套电机的备用系数一般取p d p s = l o 2 。 p l 2 p i p 2p 钿 彳 图5 - 1 潜水泵和电机功率匹配 5 3 3 潜水泵和潜水电机的效率匹配 潜水电泵正常运行时，一般电机的功率小于规定功率，一般在规定功率的 o 7 以9 t 3 1 倍之间。因此，为提高节能效果，应使电机的最高效率点前移到规定 功率的0 7 - 0 9 倍之间。这样电泵运转时，电机最大效率点和水泵的额定工况点 相对应，泵和电机都在效率较高的区域内，潜水电泵整体运行效率提高，如图 5 2 所示。 由式( 5 - 1 2 ) 、式( 5 - l o ) 可得* p 。又由最= 篇，可得g * t 2 。所 以，为了易于比较分析，将泵和电动机的效率曲线的横坐标都转换为功率【蛐】。 由5 2 2 节分析结果可知，当电机的铁耗等于铜耗时的工况点就是电机的最高效 率点。由式( 5 - 8 ) p - 恁p 抽可得，铜耗随负载的平方变化。由于铁耗是不变 损耗，不随负载变化，故可得图5 3 关系。可见，要想前移电机的效率曲线，应 该降低铁耗，使铁耗和铜耗曲线的交点向前移动，同时允许铜耗有一定的增高。 江苏大学硕士学位论文 p f ， r ： n ，( 才心 r 率 l 仆 i 潜水泵效 l p 2 n p i n 图5 - 2 游水泵和电机的效率曲线对比 盘 d 矽少 一_ j 掣一一 一么多r p 一4 b 图5 - 3 前移电机效率曲线原理 为了前移电机的效率曲线，分析减小电机铁耗的方法。由于电机转子的铁耗 可忽略不计，故电机的铁耗是由定子齿铁耗和定子轭铁耗两部分组成。总铁耗表 达式【5 1 j 为： - k l p t l v t l + 咖_ f 1 ( 5 1 6 ) 其中：p n 、定子齿单位体积损耗、定子齿的体积c m 3 ； p h 、定子轭单位体积损耗、定子轭的体积c m 3 。 其中，定子齿单位铁损耗办由空载磁密e 。查硅钢片损耗曲线得；定子轭单位铁 损耗p 。f hb j l o 查硅钢片损耗曲线得。 空载定子齿、定子轭磁密1 5 1 】表达式如下： 江苏大学硕士学位论文 乏马 k e 。b 一 定子齿、定子轭磁密【5 1 】表达式如下： ：髟孚1 0 4 1 b 产旦1 0 4 ”2 1 其中每极主磁通为嗍： 西： 堡坠 2 2 2 m 量鲫 每相串连导线到3 q 为： ：弛 综合( 5 1 6 ) ( 5 - 1 7 ) ( 5 - 1 8 ) ( 5 1 9 ) ( 5 - 2 0 ) 可得定子轭磁密b s l o ： 口。：鱼鱼蛀。l o ”1 k e4 触a n l z l n s 墨舭 根据硅钢片损耗曲线，可得磁密和铁耗吃的关系。 ( 5 1 7 ) ( 5 1 8 ) 或由式( 5 - 2 ) p v e 一矽1 彻2 计算，可得铁耗可表达如下： 助a c ( 筹删) - k e o u m m a l i 删 2 z 2 ， 同理，定子齿也有相同的结论： 办”k r o u 。m a l i 州j 可见减小铁耗的方法有：减少磁通、减少电压【k 和增加绕组匝数眠，。 1 电机调压节能 当保持电机转速不变时，电机t * 砰，电机转矩随电压的下降迅速下降。 当转距降低到小于负载转矩时，将不能和负载转矩相平衡，电动机只能依靠增大 侈 加 蚴 江苏大学硕士学位论文 转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态，如公式( 5 2 3 ) 5 2 1 所示。 j ：堡肇 ( 5 2 3 ) j = ：二 ) 3 【，? 从上式可见，降低电机的输入电压，电机的转差率将增大，引起转子电流增大， 铜耗增大。可见铜耗与电机的输入电压成反比，铜耗随着电压的降低而增加。 电机的输入电压降低时，由于电机的铁耗主要由激磁阻抗产生，所。- 3 ，三民， 铁耗随着电压的降低而降低。 综上所述可见，当降低电机电压时，铜耗增加，铁耗降低，可将效率曲线前 移，使电机和泵的效率更好的匹配。一般规定了电机正常运行时电压变化范围不 得超过额定电压的9 5 叫j d 多瓦 2 减少电机磁通节能 从电机的感应磁通为公式- - b a 可见，通过减小磁通密度口，或减小磁通面 积a ，即减小定转子气隙都可以减小磁通。 1 ) 减小磁通密度曰 电机设计时，为了减小磁通应该选择磁导率更高的软磁材料作转子铁心。一 般可采用铸铁和铸钢，或高导磁、低损耗的硅钢片，也可以将原有硅钢片热处理。 硅钢片的铁耗低，可提高电机的效率；硅钢片冲制后存在应力，会影响硅钢片的 导磁性能，如果进行消除应力处理，可提高硅钢片的导磁性能，降低损耗，提高 电机的效率。硅钢片氧化温度一般在5 5 0 己消除应力退火温度为7 5 0e 硅钢 片的涂层能耐7 8 0 - 8 0 0 鳓高温，一般不会破坏硅钢片的涂层。 2 ) 减小定转子气隙 电机设计定转子之间的气隙一般控制在0 3 5 - - 0 4 5 m m 之间。由于制冷装配 的特殊性，定转子之间的气隙一般在0 5 m m 左右，这对电机的效率影响极大， 如果能在装配上调整，将电机定转子之间的气隙减小到0 4 5 r a m ，对电机效率的 提高大有好处。 3 增加绕组匝数n s l 节能 增加电机绕组的匝数，可减少铁耗，有效的将电机的效率曲线前移，使电机 和潜水泵的效率最高点重合，提高潜水电机的总效率。计算增加绕组匝数时，应 该结合电机最佳工况点前移到0 7 - 0 9 倍规定功率处的铁耗、铜耗，适量增加电 江苏大学硕士学位论文 机绕组匝数。但是增加电机绕组的匝数，就会使铜线的用量增加，稍提高电机的 成本。但从长久使用打算，由于能够节省潜水电泵的用电，很快能够成本回收。 故增加电机绕组匝数提高潜水电泵效率的方法是有效的。 5 4 变频调速在潜水电泵节能中的应用 潜水电泵的控制方法有，非变速调节( 节流调节) 和变速调节两种。过去泵 行业普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式来控制。这种调节方式虽然简 便易行，但造成很大的能量损失。大量的统计调查表明p 3 5 4 1 ，一些在运行中需 要改变工况而要求进行调节的泵，其能量浪费的主要原因，通常是由于采用了不 合适的控制方法。目前比较先进的控制方法是采用变频器调节潜水电泵电机转 速，使电机转速适应潜水电泵的运行工况，从而提高潜水电泵的效率。 5 4 1潜水电泵调速运行的节能原理 泵在运行中根据工作的需要，改变运行工况点的位置。流量、扬程等运行参 数就要适应新的工作状况的需要。泵的工作点是由泵性能曲线月也和管路阻力 曲线r q 的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变， 工作点的位置也就随之改变。泵的调节从原理上讲是通过改变泵的性能曲线或管 路阻力曲线来实现的。 如图5 - 4 所示，泵运行工况点a 是泵的特性曲线3 与管路阻力曲线1 的交点。 下边介绍改变泵工况点的调节方法。 1 阀门控制进行节流调节。由于要减少流量，关小阀门，阀门的摩擦阻力 变大，管路阻力曲线从1 移到2 ，工况点从a 点移动到曰点，扬程则从王升到 飓，流量从么减小到q j 。 2 调速控制进行变速调节。阻力曲线1 不变，泵的特性取决于转速，如果 把速度从助降到啦，运行工况点从a 点移动到c 点，扬程从皿下降到奶，流 量从g 减小到g 。 根据功率公式求出在丑工况点运行时的泵的轴功率为： p b = p g q , h 2 k b ( 5 2 4 ) 江苏大学硕士学位论文 在c 工况点运行时泵的轴功率为： 尼2 p g q 甄 ( 5 2 5 ) 两工况点的功率之差为： p = p i p c = p g q l t h 2 | q b h t | q c 、( 5 - 2 6 ) 也就是说，用阀门控制流量时，有p 功率被浪费掉了，图示阴影部分即浪费掉 的功率。并且随着阀门不断关小，这个损耗还要继续增加。 可见，如果不用减小出口阀门开度的方法控制流量，而是将泵的转速调节， 随着泵输出压头的降低，消耗在阀门上的功率完全可以避免。所以在经常改变工 况运行的泵中，通过调节其转速改变其工况的节能方法是非常有效的。 也可用泵的流量q 、扬程日、轴功率p 和转速n 之间的关系理解调速控制时 的节能原理。q ，日，p 与厅之间的关系式是： q , i q = 啊吃 ( 5 2 7 ) 马马= ( 啊他) 2 ( 5 2 8 ) 只只= “他) 3 ( 5 - 2 9 ) 可见，轴功率p 和转速n 的三次方成正比。当转速下降1 1 2 时，功率下降 j ，8 ，即功率于转速成3 次方的关系降低，即降低转速使功率迅速下降是十分有 效的节能方法。 0 1 0p0 图5 - 4 泵变速调节及节流调节的原理比较 图5 - 5 为泵的效率曲线图，当转速增加潜水电泵的效率曲线向前移，如图5 - 5 所示，效率曲线l 的转速大于曲线2 的转速。当流量从g 减小到9 ，效率从a 5 7 江苏大学硕士学位论文 点降到口点；若增加泵转速，流量减小后效率为c 。可见，c 点的效率明显比口 点的大，说明改变转速提高泵效的效果很明显。 图5 - 5 泵类调整转速运行的效率比较 5 4 2 改变电机转速的方法 交流电动机的同步转速啊与电源频率五、磁极对数p 间的关系式为： n m = 6 呖p ( 5 3 1 ) 又知异步电动机的转差率s 定义为： j = “一刀) ( 5 - 3 2 ) 所以异步电动机转子的转速拧为； n = r 4 ( 1 - s ) = ( 6 0 f 。l p ) l ( 1 - s 1 ( 5 3 3 ) 其中：厅电动机的运行转速，r l m i n ； 五电动机的电源频率，h z ： s 电动机的实际转差率： p 电动机的极对数。 因为转差率s 很小，因此异步电动机一般通过改变频率，和级数p 来调节速 度。常用异步电机的变速调节方式有：变频调速、变级调速、恒功率电机型串级 调速、恒转矩电机型串级调速、转子串电阻调速、定子调压调速、液力耦合器调 速等。表5 1 【5 5 】列举了几种常见的调速节能方法的特点。 通过对表5 1 所列几种调速方法的比较，发现变频调速在诸多调速方法中综 合性能最好。同时，变频调速在动态响应、低频转速、转差补偿、工作效率、抗 铝 江苏大学硕士擘位论文 干扰能力等方面也是以往的交流调速方法无法比拟的。 表5 - 1 常见调