（工程热物理专业论文）电厂卧式循环水泵的设计方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文总结了离心泵叶轮传统的的水力设计方法、叶轮结构参数对性能的影响以 及泵的汽蚀问题;利用 f l u e n t软件模拟流场的功能，对斜切叶轮出口 和包角大小 对性能的影响进行了伸入地探讨;针对郑州热电 厂” 4机组 1 , 2两台循环水泵运 行中出现的效率低的问题，在泵壳及基本安装尺寸不变的情况下，对两泵叶轮进行 了优化设计，重新选定设计参数。在a u t o c a d 制图软件上采用方格网绘型法进行叶 轮的绘型，并用 f l u e n t软件进行了流场的数值模拟。本次设计是在参考原有的高 效双吸泵的基础上，对传统的设计方法进行了改进，试验结果证明，新设计的叶轮 能够满足泵中水流的流动过程，性能也能够达到厂家的要求。 关键词:离心式循环水泵，方格网绘型法，数值模拟，a u t o c a d , f l u e n t abs tract i n t h i s p a p e r , t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c d e s i g n m e a n s o n i m p e l l e r o f c e n t r i f u g a l p u m p a n d h o w t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s i n fl u e n c i n g p e r f o r m a n c e o f p u m p a n d s t e a m c o r r o s i o n ; b y u s e o f t h e f u n c t i o n o f s t i m u l a t i n g fl o w f i e l d s o f f l u e n t , h o w t h e o u t l e t o f i m p e l l e r s i d e l o n g c u t a n d w r a p a n g l e c h a n g e d i n fl u e n c i n g t h e p e r f o r m a n c e o f p u m p a r e s t u d i e d ; a i m e d a t t h e p r o b l e m t h a t t h e e f f i c i e n c y o f t w o c ir c u l a t i n g p u m p s o f z h e n g z h o u h e a t p o w e r p l a n t i s l o w w h e n t h e y o p e r a t e , b a s e d o n s h e l l a n d b a s i c s i z e u n c h a n g e d , t h e i m p e l l e r s o f t w o p u m p s h a v e b e e n o p t i m i z e d , t h e d e s i g n i n g p a r a m e t e r s w e r e s e l e c t e d n e w l y . t h i s t i m e , t h e d r a w i n g m e a n s o f p a n e n e t h a s b e e n a d o p t e d t o d e s i g n t h e i m p e l l e r s o n t h e d r a wi n g s o ft w a r e 一一a u t o c a d , a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n h a s b e e n o p e r a t e d b y m a k i n g u s e o f f l u e n t . b a s e d o n r e f e r e n c i n g h i g h - e f f e c t p u m p s , t r a d it i o n a l d e s i g n i n g m e a n s h a s b e e n r e f o r m e d . f r o m t h e r e s e a r c h , t h e n e w i m p e l l e r s c a n s a t i s f y w i t h fl o w p r o c e s s i n p u m p , t h e i r p e r f o r m a n c e s c a n a l s o s a t i s f y w i t h t h e r e q u e s t o f z h e n g z h o u h e a t p o w e r p l a n t . ke y wo r d s : c e n t r i f u g a l c i r c u l a t i n g p u mp , d e s i n u me r i c a l s i mu l a t i o n , a u t o c a d, g n me a n s o f s q u a r e g r i d , f luent 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文总结了离心泵叶轮传统的的水力设计方法、叶轮结构参数对性能的影响以 及泵的汽蚀问题;利用 f l u e n t软件模拟流场的功能，对斜切叶轮出口 和包角大小 对性能的影响进行了伸入地探讨;针对郑州热电 厂” 4机组 1 , 2两台循环水泵运 行中出现的效率低的问题，在泵壳及基本安装尺寸不变的情况下，对两泵叶轮进行 了优化设计，重新选定设计参数。在a u t o c a d 制图软件上采用方格网绘型法进行叶 轮的绘型，并用 f l u e n t软件进行了流场的数值模拟。本次设计是在参考原有的高 效双吸泵的基础上，对传统的设计方法进行了改进，试验结果证明，新设计的叶轮 能够满足泵中水流的流动过程，性能也能够达到厂家的要求。 关键词:离心式循环水泵，方格网绘型法，数值模拟，a u t o c a d , f l u e n t abs tract i n t h i s p a p e r , t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c d e s i g n m e a n s o n i m p e l l e r o f c e n t r i f u g a l p u m p a n d h o w t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s i n fl u e n c i n g p e r f o r m a n c e o f p u m p a n d s t e a m c o r r o s i o n ; b y u s e o f t h e f u n c t i o n o f s t i m u l a t i n g fl o w f i e l d s o f f l u e n t , h o w t h e o u t l e t o f i m p e l l e r s i d e l o n g c u t a n d w r a p a n g l e c h a n g e d i n fl u e n c i n g t h e p e r f o r m a n c e o f p u m p a r e s t u d i e d ; a i m e d a t t h e p r o b l e m t h a t t h e e f f i c i e n c y o f t w o c ir c u l a t i n g p u m p s o f z h e n g z h o u h e a t p o w e r p l a n t i s l o w w h e n t h e y o p e r a t e , b a s e d o n s h e l l a n d b a s i c s i z e u n c h a n g e d , t h e i m p e l l e r s o f t w o p u m p s h a v e b e e n o p t i m i z e d , t h e d e s i g n i n g p a r a m e t e r s w e r e s e l e c t e d n e w l y . t h i s t i m e , t h e d r a w i n g m e a n s o f p a n e n e t h a s b e e n a d o p t e d t o d e s i g n t h e i m p e l l e r s o n t h e d r a wi n g s o ft w a r e 一一a u t o c a d , a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n h a s b e e n o p e r a t e d b y m a k i n g u s e o f f l u e n t . b a s e d o n r e f e r e n c i n g h i g h - e f f e c t p u m p s , t r a d it i o n a l d e s i g n i n g m e a n s h a s b e e n r e f o r m e d . f r o m t h e r e s e a r c h , t h e n e w i m p e l l e r s c a n s a t i s f y w i t h fl o w p r o c e s s i n p u m p , t h e i r p e r f o r m a n c e s c a n a l s o s a t i s f y w i t h t h e r e q u e s t o f z h e n g z h o u h e a t p o w e r p l a n t . ke y wo r d s : c e n t r i f u g a l c i r c u l a t i n g p u mp , d e s i n u me r i c a l s i mu l a t i o n , a u t o c a d, g n me a n s o f s q u a r e g r i d , f luent 华北电力大学硕士学位论文 二些 o口 fp明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电厂卧式循环水泵的设计方法研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。 与我一同i作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体匕 发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节选题意义 面对发、供电企业厂网分开、竞价上网的发展趋势，如何提高电厂机组运行的 经济性，充分发挥机组效益，降低发电成本，己成为当前各电厂十分关注的问题之 电站机组的安全经济运行，除了依赖于主机的经济性、安全性之外，电站辅机 也起着重要作用，特别是锅炉给水泵、磨煤机、送引风机、循环水泵等关键设备， 技术要求高， 直接影响到整个电站。 但由于我国长期存在 “ 重主机轻辅机”的思想， 目 前在发电行业中辅机的运行效率低、可靠性差的问题比较严重。 随着我国国民经济的快速增长， 对能源利用率的要求也越来越高。 在 1 9 9 8 年 1 月 1日国家颁布的 节约能源法 ，要求各行各业把节电放在突出地位，把节能降 耗作为调整结构提高效益的一项战略措施。从能源利用的角度来说，一方面要开发 能源，另一方而也要大力节能，把节能视为第三能源，是节能工作的最高准则。 一般中、小容量机组节能降耗主要集中在两个方面，一是降低发电煤耗，_ 二 是 降低厂用电率。可以通过对机组通流部分的改造及回热系统的改进来降低汽轮机组 热耗率，提高效率，降低发电煤耗，同时还可以通过优化辅机运行方式达到节约厂 用电的目的。对于2 0 0 m w 汽轮机的辅机，循环水泵电耗较大，正常情况下是两台运 行一台备用，但当循环水进水温度较低或负荷较低时，也可以一台循环水泵运行。 以我国 3 0 0 m w机组为例，目前这些机组的厂用电率为 5 .3 5 %- 5 . 8 %，而循环水 泵的耗电率高达 1 . 5 %- 1 . 9 0/ a ，约占整体机组厂用电量的 3 0 %，其运行的经济性、 可靠性与世界先进水平尚有一定的差距。因此，做好3 0 0 m w 机组循环水泵的节能降 耗也是降低全国火电机组能耗水平、从而节约能源的重要举措。近年来，对 3 0 0 m w 机组闭式循环冷却系统的运行调查和多次循环水泵的现场工业试验分析表明， 3 0 0 m w 机组的循环冷却系统存在普遍性问题，具体表现在: ( 1 )循环水泵运行效率低，电耗高。表 1 . 1列出某电厂 3 0 0 m w机组循环水泵 的设计与实际运行性能，比世界先进水平低 1 0 %- 2 0 %，约使厂用电率增加 0 . 2 一 。 . 3 %。由于效率低，部分电机过负荷运行，线圈温度高达 1 2 5 以上，威胁机组 的安全。 ( 2 ) 泵的配置与主机的运行不适应。目前，3 0 0 m w 机组普遍采用斜流式循环水 泵。习惯上采用常年并列运行 2台泵的方式，显然无法满足不同季节凝汽器最佳真 空的运行要求。 第 i页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节选题意义 面对发、供电企业厂网分开、竞价上网的发展趋势，如何提高电厂机组运行的 经济性，充分发挥机组效益，降低发电成本，己成为当前各电厂十分关注的问题之 电站机组的安全经济运行，除了依赖于主机的经济性、安全性之外，电站辅机 也起着重要作用，特别是锅炉给水泵、磨煤机、送引风机、循环水泵等关键设备， 技术要求高， 直接影响到整个电站。 但由于我国长期存在 “ 重主机轻辅机”的思想， 目 前在发电行业中辅机的运行效率低、可靠性差的问题比较严重。 随着我国国民经济的快速增长， 对能源利用率的要求也越来越高。 在 1 9 9 8 年 1 月 1日国家颁布的 节约能源法 ，要求各行各业把节电放在突出地位，把节能降 耗作为调整结构提高效益的一项战略措施。从能源利用的角度来说，一方面要开发 能源，另一方而也要大力节能，把节能视为第三能源，是节能工作的最高准则。 一般中、小容量机组节能降耗主要集中在两个方面，一是降低发电煤耗，_ 二 是 降低厂用电率。可以通过对机组通流部分的改造及回热系统的改进来降低汽轮机组 热耗率，提高效率，降低发电煤耗，同时还可以通过优化辅机运行方式达到节约厂 用电的目的。对于2 0 0 m w 汽轮机的辅机，循环水泵电耗较大，正常情况下是两台运 行一台备用，但当循环水进水温度较低或负荷较低时，也可以一台循环水泵运行。 以我国 3 0 0 m w机组为例，目前这些机组的厂用电率为 5 .3 5 %- 5 . 8 %，而循环水 泵的耗电率高达 1 . 5 %- 1 . 9 0/ a ，约占整体机组厂用电量的 3 0 %，其运行的经济性、 可靠性与世界先进水平尚有一定的差距。因此，做好3 0 0 m w 机组循环水泵的节能降 耗也是降低全国火电机组能耗水平、从而节约能源的重要举措。近年来，对 3 0 0 m w 机组闭式循环冷却系统的运行调查和多次循环水泵的现场工业试验分析表明， 3 0 0 m w 机组的循环冷却系统存在普遍性问题，具体表现在: ( 1 )循环水泵运行效率低，电耗高。表 1 . 1列出某电厂 3 0 0 m w机组循环水泵 的设计与实际运行性能，比世界先进水平低 1 0 %- 2 0 %，约使厂用电率增加 0 . 2 一 。 . 3 %。由于效率低，部分电机过负荷运行，线圈温度高达 1 2 5 以上，威胁机组 的安全。 ( 2 ) 泵的配置与主机的运行不适应。目前，3 0 0 m w 机组普遍采用斜流式循环水 泵。习惯上采用常年并列运行 2台泵的方式，显然无法满足不同季节凝汽器最佳真 空的运行要求。 第 i页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 表 1 . 1 某电厂3 0 0 k w 机组循环水泵设计与实际运行性能比较 项 目流量 ( t / h )扬程 ( 扭 ) 电机功率 ( k w ) 泵效率 ( %) 设计性能 1 5 5 8 82 6 . 7 1 4 5 0 . 38 4 . 5 0 单泵运行 2 0 0 8 5 . 41 4 . 9 1 6 4 7 . 35 3 . 7 8 双泵运行 3 8 9 4 7 . 92 0 . 1 3 3 8 4 . 76 8 . 1 7 三泵运行 4 9 7 6 2 . 92 5 . 6 4 9 3 2 . 87 5 . 0 8 ( 3 )部件结构不合理，寿命短、可靠性差等。 综上可知，优化发电机组循环水泵的运行，节能降耗，提高其运行可靠性，对 火力发电厂，乃至整个国民经济都有十分巨大的现实意义。 电厂中的循环水泵一般为离心泵或斜流泵，本文只讨论离心泵的情况。 离心泵是一种古老而应用极其广泛的通用机械。离心泵从其原理、构造及运行 性能方面来看，比其它类型的泵有许多突出的特点，可以在流量和压力很宽的范围 内进行制造，所以有非常广泛的用途。目 前离心泵叶轮水力设计一般是采用模型相 似换算法或速度系数法设计，但这些方法都存在一定的缺陷，例如模型相似换算法 虽然简单可靠， 泵的性能基本 l 取决于模型泵， 不利于泵性能进一步的提高和改善; 按速度系数法确定叶轮参数存在一定的随意性，且现有的速度系数计算法不完全反 映我国目 前的设计与制造水平，往往造成设计工况与最佳工况不重合，且设计工况 效率偏低。随着工业的发展以及泵的应用范围的扩大， 人们对泵的要求越来越高， 尤 其是对于效率的要求越来越高， 这样传统的设计方法就很难满足客户的要求， 因此 泵的设计应更多的借助于计算机运用并开发各种辅助设计软件， 从而设计出高效率 的符合客户要求的泵，泵的计算机辅助设计方法才是符合时代潮流的发展方向， 这 种设计方法不仅可以大大的缩短泵的设计周期，而且可以减少泵的试验次数，从而 大大的降低研发和生产的成本。 第二节国内外的发展状况 1 、泵的水力设计现状 长 期以来，离心泵的研究主要围绕如何设计合理的结构和选择适当的材料以 及 如何提高其水力性能这三个方面。离心泵水力设计的主要任务就是根据给定的设计 参数 ( 流量、扬程、转速、汽蚀余量和效率等) ，经过多种方案的优化选择，使所 设计的叶轮和泵体具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使泵的外特性符合预 先给定的要求。 到日前为止，工程上实用的离心泵水力设计方法仍然是基于e u l e r理论的一元 第 2页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 表 1 . 1 某电厂3 0 0 k w 机组循环水泵设计与实际运行性能比较 项 目流量 ( t / h )扬程 ( 扭 ) 电机功率 ( k w ) 泵效率 ( %) 设计性能 1 5 5 8 82 6 . 7 1 4 5 0 . 38 4 . 5 0 单泵运行 2 0 0 8 5 . 41 4 . 9 1 6 4 7 . 35 3 . 7 8 双泵运行 3 8 9 4 7 . 92 0 . 1 3 3 8 4 . 76 8 . 1 7 三泵运行 4 9 7 6 2 . 92 5 . 6 4 9 3 2 . 87 5 . 0 8 ( 3 )部件结构不合理，寿命短、可靠性差等。 综上可知，优化发电机组循环水泵的运行，节能降耗，提高其运行可靠性，对 火力发电厂，乃至整个国民经济都有十分巨大的现实意义。 电厂中的循环水泵一般为离心泵或斜流泵，本文只讨论离心泵的情况。 离心泵是一种古老而应用极其广泛的通用机械。离心泵从其原理、构造及运行 性能方面来看，比其它类型的泵有许多突出的特点，可以在流量和压力很宽的范围 内进行制造，所以有非常广泛的用途。目 前离心泵叶轮水力设计一般是采用模型相 似换算法或速度系数法设计，但这些方法都存在一定的缺陷，例如模型相似换算法 虽然简单可靠， 泵的性能基本 l 取决于模型泵， 不利于泵性能进一步的提高和改善; 按速度系数法确定叶轮参数存在一定的随意性，且现有的速度系数计算法不完全反 映我国目 前的设计与制造水平，往往造成设计工况与最佳工况不重合，且设计工况 效率偏低。随着工业的发展以及泵的应用范围的扩大， 人们对泵的要求越来越高， 尤 其是对于效率的要求越来越高， 这样传统的设计方法就很难满足客户的要求， 因此 泵的设计应更多的借助于计算机运用并开发各种辅助设计软件， 从而设计出高效率 的符合客户要求的泵，泵的计算机辅助设计方法才是符合时代潮流的发展方向， 这 种设计方法不仅可以大大的缩短泵的设计周期，而且可以减少泵的试验次数，从而 大大的降低研发和生产的成本。 第二节国内外的发展状况 1 、泵的水力设计现状 长 期以来，离心泵的研究主要围绕如何设计合理的结构和选择适当的材料以 及 如何提高其水力性能这三个方面。离心泵水力设计的主要任务就是根据给定的设计 参数 ( 流量、扬程、转速、汽蚀余量和效率等) ，经过多种方案的优化选择，使所 设计的叶轮和泵体具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使泵的外特性符合预 先给定的要求。 到日前为止，工程上实用的离心泵水力设计方法仍然是基于e u l e r理论的一元 第 2页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 理论以及流动相似理论基础上的模型换算法和速度系数法，因而大量可靠的资料和 丰富的经验是水力设计成败的关键。 1 . 模型换算法 模型换算法简称模型法，又称相似理论换算法或相似换算法。这是考虑几何和 流体动力相似而得出的一种方法。如果两台泵几何相似，而又工况相似，并且两台 泵的对应尺寸比值并不太大 ( 不超过2 -3 ) ，转速之比值也不太大 ( 不超过2 ) ，则 可认为它们的机械效率、容积效率、水力效率均相等。因而也就是总效率相等，这 种情况下两泵的比转数相等。则按相似原理可求得换算系数 d i n . 兄二二二=飞 三 二. d m n n 一般来说，系数元 越接近 经验对叶轮进口、叶片出口角 q 。 。阿 q m刀v h 1 ，这种换算方法越精确。换算后还应根据设计者的 、叶片数和泵体喉部面积等主要几何参数进行适当修 正，以便尽量克服模型换算法难以提高泵性能的不足。 2 .速度系数法 速度系数法又称设计系数法，其实质也是一种相似设计法，所不同的是模型换 算法是以一台模型泵为基础，而速度系数法则以一系列相似泵为基础。模型换算法 和速度系数法具有可靠、简便和实用的优点，但都受现有模型和系数的局限。 3 面积比原理 英国著名泵专家a n d e r s o n 于1 9 3 8 年首次提出了离心泵的面积比原理。 他指出， 叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比是泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决定 因素。 w o r s t e r 于 1 9 6 3 年首次用数学方法证明了a n d e r s o n 所提出的面积比原理的 科学性。8 0年代初，a n d e r s o n对 1 5 0 0 0台泵的试验资料进行了分析，结果用面积 比原理预测的泵性能与实际的泵性能相当吻合。从此，面积比原理逐步成为有效的 水力设计方法之一。 总的来说，面积比原理的基本特点是用对面积比绘制的扬程系数和流量系数的 形式来修正标准化的设计数据。这种方法从整体上把叶轮和泵体这二大水力部件联 系在一起，是有其科学性和发展前途的。 4 .自由旋涡理论 1 9 6 3 年，w o r s t e 二 根据流出叶轮中的流体符合自由旋涡的理论，首次成功地指 出了决定泵性能的叶轮和泵体之间明显的数学关系，由叶轮特性和泵体特性的交点 决定了泵的最佳工况点。自由旋涡理论的推导虽有许多假设，但毕竟是从理论上把 叶轮和泵体的相互关系用数学的形式联系起来了。 5 优化设计 优化设计是当前水泵设计中最感兴趣的问题之一，也是实现泵优良性能的主要 第 3页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 措施。 现代优化技术主要有三个方面:优化控制、优化设计与优化试验。常用的优化 技术有直觉优化、进化优化、试验优化、价值分析和数值计算优化，其中只有试验 优化是一种直接优化法。 ( 1 )试验优化设计 迄今为止，水泵技术是一门半理论半经验的学科，试验研究在水泵发展中具有 举足轻重的地位。 相似换算法和速度系数法是水泵设计的主要方法，鉴于泵的内部流动至今尚未 完全掌握，应用流体运动基本方程进行叶片型线设计仍处于研究阶段。在今后一段 时间内，泵的试验研究仍是我们的主要工作。国外应用的正交试验设计技术非常适 用于水泵的研究。 ( 2 )速度系数法优化设计 众所周知，6 0 年代的水力模型和速度系数目前已逐渐修正、完善甚至淘汰了， 亦即优化了。在这个意义上，泵的优化设计首先用于速度系数法中。 计算机技术的发展和应用给速度系数法优化设计带来了方便。人们己建立了优 秀水力模型库，可随时吸收先进模型入库，及时优化各种系数，跟随当前的水泵先 进水平。 ( 3 )损失极值法优化设计 ( 4 )二元流动计算及c a d 优化设计 正如前述， 5 0 年代以后已有大量有关泵内部流动测试结果的报道， 泵内复杂的 流动现象也逐渐为人们所认识，建立在三元流场计算基础上的水泵优化设计方法正 日益受到水泵界的重视。目前，以无粘性不可压缩三元流动计算为基础的设计方法 己开始进入实用阶段。 众所周知，一次成功的水力设计往往要经过多次反复修改和试验才能完成。为 缩短产品开发周期，近几年来，人们竞相采用计算机进行辅助设计，以便进行快速 多方案的优化选择。 目前，国外的泵 c a d 软件己比较成熟，并应用于工程实践。国内的泵 c a d软件 也己接近工程实用，正逐步代替人工水力设计。 2 、国内外泵业技术发展趋势 泵技术发展的原动力在于用户的需求。展望 2 1世纪，人类不断增强的环境意 识、质量意识和个性化意识等将成为推动泵业技术发展的强大动力。现代文明的三 大支柱:新材料技术、新能源技术和信息技术的迅速崛起将加速泵业技术革命的到 来。总的来说，2 1 世纪泵业技术的发展趋势有以下几个方面: 1 .理论与设计方法科学化 理论研究的重点仍然是泵内部流动测试、 三元粘性流动计算、 多相流和汽蚀等。 第 4页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 可以预言，建立在泵内部真实流动模型基础上的性能预测和计算机仿真将代替目 前 的经验设计和反复试验。 2 .生产制造高技术化 激烈的市场竞争将迫使制造商们竞相采用各种高技术。例如，应用c a d 技术， 就能在最短时间内推出各种关键零部件的最新设计;c a m和柔性制造技术的应用将 革新目前泵行业中以普通机床为主的制造方式。生产制造的高技术化是产品 “ 价廉 物美”的根本保证。 3 .产品模块化和个性化 在模块化泵中大部分零部件是通用件，这就使制造商能以最短的时间向用户提 供产品，并降低生产成本和库存。 个性化的发展要求泵的结构设计和材料要适应各专业的特点，如流程用泵、污 水处理用泵、食品业用泵等，产品将逐步朝多品种小批量的特殊用泵方向发展。 4 .密封无泄漏化 8 0 年代泵技术的最重要进展在于无密封泵技术，包括屏蔽泵和磁力驱动泵。随 着环境意识的增强，这种对无泄漏泵的需求将继续呈广泛而强劲的增长趋势。 5 .原动机无极化和监控系统自动化 未来的原动机将能根据泵运行工况的变化自动调整转速;而服役泵的自 动化监 控系统使泵的工作更为可靠，并减小运行维修费用。 此外，新材料技术的研究也是今后泵行业发展的重点，泵的可靠性和节能则仍 是最基本的要求。 对国内泵行业来说，还将向以下几个方向发展:引进消化深层化、特殊用泵更 新化和产学研一体化等。 3 、现代离心泵设计概念 离心泵自问世至今已经历了一个漫长的时期， 设计手段己从依靠手工、 计算尺、 计算器直到用计算机辅助设计，设计理论也从传统的一元理论逐步向完全三元粘性 流动计算过渡，设计概念已不再是设计出满足规定点性能参数的高效离心泵。现代 离心泵的设计具有更高的要求，更广泛的含义，应考虑以下内容: ( 1 )设计预测的泵流量一扬程曲线应与将来实测曲线相一致。 ( 2 )在所给定的运行条件下，泵应具有效率高、运行范围广和良好的水力性 能的特点。 ( 3 )在一定的工作范围内，泵应能在管路中稳定地工作，并具有良好的抗汽 蚀性能。 ( 4 )泵在工作时应具有振动小、噪声低、可靠性高等优点。 ( 5 )泵的结构和材料应能适合所抽送的介质的性质。 ( 6 )应能用最经济的工艺措施制造出所设计的泵。 第 5页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 )泵应具有符合人们审美要求的外观质量。泵的结构不但要符合流体运动 规律，而且还应保证人们操作安全、方便、符合人体工程的需要，并与泵的工作环 境相一致。 ( 8 )设计计算过程全盘计算机化。 可见，现代离心泵的设计，不但要考虑减小损失、提高效率，而且要考虑整个 设计、制造的周期和成本等各种因素，以及销售和服务整个系统，我们只能借助于 计算机辅助设计 ( c a d )及计算机辅助制造 ( c a m ) ，从流体力学、流动模型、结构 受力、可靠性等方面着手，才能经济地研制出高效离心泵。 第三节本文所做的工作 本文介绍了前人在泵设计方面的理论，总结了泵结构参数对性能的影响以及泵 的汽蚀问 题。针对郑州热电 厂” 4机组“ 1 , # 2循环水泵在单泵运行和并联运行中存 在的问题，重新选择设计参数，对两台泵叶轮进行了改造，最终达到节能降耗，提 高运行经济性的目的。 具体工作如下: 1 . 总结离心泵传统的设计方法; 2 . 讨论叶轮进出口结构参数对性能的影响; 3 . 阐述泵的汽蚀问题; 4 . 介绍 f l u e n t软件，并利用该软件进行泵流场的模拟，深入探讨部分结构参 数对泵性能的影响; 5 . 结合郑州热电厂两台循环水泵运行中出现的问题，对两泵进行优化设计，在 a u t o c a d 制图软件上进行叶轮的绘型， 然后在f l u e n t 软件中模拟流场， 进行数值试 验研究。 第 6页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 )泵应具有符合人们审美要求的外观质量。泵的结构不但要符合流体运动 规律，而且还应保证人们操作安全、方便、符合人体工程的需要，并与泵的工作环 境相一致。 ( 8 )设计计算过程全盘计算机化。 可见，现代离心泵的设计，不但要考虑减小损失、提高效率，而且要考虑整个 设计、制造的周期和成本等各种因素，以及销售和服务整个系统，我们只能借助于 计算机辅助设计 ( c a d )及计算机辅助制造 ( c a m ) ，从流体力学、流动模型、结构 受力、可靠性等方面着手，才能经济地研制出高效离心泵。 第三节本文所做的工作 本文介绍了前人在泵设计方面的理论，总结了泵结构参数对性能的影响以及泵 的汽蚀问 题。针对郑州热电 厂” 4机组“ 1 , # 2循环水泵在单泵运行和并联运行中存 在的问题，重新选择设计参数，对两台泵叶轮进行了改造，最终达到节能降耗，提 高运行经济性的目的。 具体工作如下: 1 . 总结离心泵传统的设计方法; 2 . 讨论叶轮进出口结构参数对性能的影响; 3 . 阐述泵的汽蚀问题; 4 . 介绍 f l u e n t软件，并利用该软件进行泵流场的模拟，深入探讨部分结构参 数对泵性能的影响; 5 . 结合郑州热电厂两台循环水泵运行中出现的问题，对两泵进行优化设计，在 a u t o c a d 制图软件上进行叶轮的绘型， 然后在f l u e n t 软件中模拟流场， 进行数值试 验研究。 第 6页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 第二章离心泵传统的设计方法 第一章中已经提到离心泵的设计方法有很多，但是现在常用的还是相似换算法 和速度系数法，本章主要讨论应用这两种方法设计泵的步骤。 第一节泵主要参数和结构方案的确定 一、提供设计的数据和要求 ( 1 ) 流量; ( 2 ) 扬程; ( 3 ) 转速 ( 或由设计者确定) ; ( 4 ) 装置汽蚀余量 ( 或给出装置的使用条件) ; ( 5 ) 效率 ( 要求保证的效率) ; ( 6 ) 介质的性质 ( 温度、重度、含杂质情况、腐蚀性等) ; ( 7 ) 对特性曲线的要求 ( 平坦、陡降、是否允许有驼峰等) 。 二、确定泵的总体结构形式和泵的进出i-1 直径 首先选定泵的结构形式和原动机的类型。进而结合下面的计算，经过分析比较 后作出最终的确定。 1 、 进口 直径d ， 泵进日直径也叫吸入口径，是指泵进口法兰处管的内径。吸入口径由合理的进 口流速确定。 泵的进口流速一般为3 m / s 左右。 从制造经济性考虑， 大型泵的流速取 大些，以减小泵的体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进 口 直径，以减小流速。选定吸入流速后，按下式确定只 ; 、1 4 q “ 一v 万 可 ( 2 . 1 ) 2 ,泵出口直径 泵出厂 直径也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程泵，排 出口径可与吸入口 径相同;对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取 排出口径小于吸入口径，一般取 d , = ( 1 一 0 . 7 ) d , ( 2 . 2 ) 式中d , , d : 一一泵的 排出、吸入口 径。 三、泵转速的确定 确定泵转速应考虑一 面因素: ( 1 )泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此应选择尽量高的转速。 第 7页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 第二章离心泵传统的设计方法 第一章中已经提到离心泵的设计方法有很多，但是现在常用的还是相似换算法 和速度系数法，本章主要讨论应用这两种方法设计泵的步骤。 第一节泵主要参数和结构方案的确定 一、提供设计的数据和要求 ( 1 ) 流量; ( 2 ) 扬程; ( 3 ) 转速 ( 或由设计者确定) ; ( 4 ) 装置汽蚀余量 ( 或给出装置的使用条件) ; ( 5 ) 效率 ( 要求保证的效率) ; ( 6 ) 介质的性质 ( 温度、重度、含杂质情况、腐蚀性等) ; ( 7 ) 对特性曲线的要求 ( 平坦、陡降、是否允许有驼峰等) 。 二、确定泵的总体结构形式和泵的进出i-1 直径 首先选定泵的结构形式和原动机的类型。进而结合下面的计算，经过分析比较 后作出最终的确定。 1 、 进口 直径d ， 泵进日直径也叫吸入口径，是指泵进口法兰处管的内径。吸入口径由合理的进 口流速确定。 泵的进口流速一般为3 m / s 左右。 从制造经济性考虑， 大型泵的流速取 大些，以减小泵的体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进 口 直径，以减小流速。选定吸入流速后，按下式确定只 ; 、1 4 q “ 一v 万 可 ( 2 . 1 ) 2 ,泵出口直径 泵出厂 直径也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程泵，排 出口径可与吸入口 径相同;对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取 排出口径小于吸入口径，一般取 d , = ( 1 一 0 . 7 ) d , ( 2 . 2 ) 式中d , , d : 一一泵的 排出、吸入口 径。 三、泵转速的确定 确定泵转速应考虑一 面因素: ( 1 )泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此应选择尽量高的转速。 第 7页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 )转速和比转数有关，而比转数和效率有关，所以转速应和比转数结合起 来确定。 ( 3 )确定转速应考虑原动机的种类 ( 电动机、内燃机、汽轮机等)和传动装 置 ( 皮带传动、齿轮传动、液力偶合器传动等) 。 ( 4 )转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大。 ( 5 )提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，从汽蚀比转数公式 c 二 5 .6 2 n 橱 入 尹 厅 r 3 1 4 ( 2 . 3 ) 可知，转速n 和汽蚀基本参数n p s h 二 及c 有确定的 关系，如得不到满足，将发生汽 蚀。 对于一定的汽蚀比 转数c 值， 在一定流量下， 假设提高 转速，则n p s h， 增加。 当 该值大于装置汽蚀余量n p s h 。 时， 泵将发生汽蚀。 可见， 对于一定的 泵， 在一定 流量下运转，转速越低越不容易发生汽蚀。 按汽蚀条件确定泵转速的方 法是: 选择c ， 给定装置汽蚀余量n p s h o( 或根据 给定的装置条件计算n p s h o) ， 然后按下式计算汽蚀条件允许的 转速， 所采用的转 速应小于该允许转速 口 刀 z 二泵转速 ( 2 )容积效率 可按下式计算 ( r / mi n ) . 1 刃 一1 + 0 .6 8 1; 一- 213 ( 2 . 7 ) 该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏的值，对于有平衡孔、级间泄漏和平 衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低。 ( 3 )机械效率n m ( 2 . 8 ) 或者q 。 二 1 - 0 ,0 7( 2 . 9 ) 泵的总效率77 二 r l h ? l v 1l . 六、轴功率和原动机功率 泵 的 轴 功 率 n - g p q h ( k w ) 1 0 0 0 1 / ( 2 . 1 0 ) ( 2 . 1 1 ) 原 动 机 功 率 n r = ( k w )( 2 . 1 2 ) 式中k 一一余量系数; 77 1 一一传动效率。 第二节泵轴径和叶轮轮毅直径的初步计算 叶 轮主 要几 何参 数有叶 轮 进口 直径d j 、 叶 片 进口 直 径d , 、 叶 轮轮 毅直径d , 叶片 进口 宽 度b , 、 叶 片 进口 角八、 叶轮出口 直径几、 叶轮出口 宽 度b 2 、 叶片出口 角 几、叶片数二 、叶片包角。 等。 叶轮进日 几何参数对汽蚀性能有重要影响，叶轮出 口 几何参数对性能 ( h , q)具有重要影响，两者对泵的效率均有影响。 第 9页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 q h = 1 + 0 .0 8 3 5 1 g ( 2 . 6 ) 式中 q 一一泵流量 ( m 3 / s ) ， 。二石、q、 、八人吧 夕 凡2 心j l 人 j; z 二泵转速 ( 2 )容积效率 可按下式计算 ( r / mi n ) . 1 刃 一1 + 0 .6 8 1; 一- 213 ( 2 . 7 ) 该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏的值，对于有平衡孔、级间泄漏和平 衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低。 ( 3 )机械效率n m ( 2 . 8 ) 或者q 。 二 1 - 0 ,0 7( 2 . 9 ) 泵的总效率77 二 r l h ? l v 1l . 六、轴功率和原动机功率 泵 的 轴 功 率 n - g p q h ( k w ) 1 0 0 0 1 / ( 2 . 1 0 ) ( 2 . 1 1 ) 原 动 机 功 率 n r = ( k w )( 2 . 1 2 ) 式中k 一一余量系数; 77 1 一一传动效率。 第二节泵轴径和叶轮轮毅直径的初步计算 叶 轮主 要几 何参 数有叶 轮 进口 直径d j 、 叶 片 进口 直 径d , 、 叶 轮轮 毅直径d , 叶片 进口 宽 度b , 、 叶 片 进口 角八、 叶轮出口 直径几、 叶轮出口 宽 度b 2 、 叶片出口 角 几、叶片数二 、叶片包角。 等。 叶轮进日 几何参数对汽蚀性能有重要影响，叶轮出 口 几何参数对性能 ( h , q)具有重要影响，两者对泵的效率均有影响。 第 9页 共 6 0页 华北电力大学硕士学位论文 一、轴径和轮毅直径 泵轴的直径应按其承受的外载荷 ( 拉、压、弯、扭)和刚度及临界转速条件确 定。因为扭矩是泵轴最主要的载荷，所以 在开始设计时，可按扭矩确定泵轴的最小 直径 ( 通常是联轴器处的直径) 。同时应根据所设计的具体情况，考虑影响刚度和 临界转速的大概因素，可对粗算的轴径作适当的修改，并圆整到标准直