（流体机械及工程专业论文）单级双吸离心泵进口边参数对泵性能影响的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 双吸离心泵具有单机流量大、扬程高、结构简单等特点，是泵类产品中数量 多，用途广泛的一种产品。国内目前生产的双吸泵在实际运行时的效率较发达国 家低十个百分点左右，为此，有必要对国产双吸泵进行研究和技术改造，以改善 其水力性能。 本文针对国内某厂生产的e s 2 0 0 2 5 0 ( 瑰= 1 8 5 7 ) 型单级水平中开式双吸泵， 依据一元理论对叶轮的轴面流道进行设计检查，发现叶轮轴面流道的过水断面面 积沿流道中线的变化规律在进口边附近的变化情况不佳；利用c f d 软件对其内 部流场进行数值模拟，发现叶轮的进口处存在较强的漩涡，由此推断导致该双吸 泵效率低的主要原因是叶轮进口处的水力设计不尽合理。以此为基础，根据叶片 进口边是否位于同一轴面( 同一轴面、进口边外缘前掠、后掠) 、叶片进口边的 位置，以及叶轮前盖板曲率半径的不同设计出了包括原方案在内的共1 4 种模型 方案( a a - c d 、d a 、d b ，其中b a 为原方案模型) 。依据数值计算结果预测每种 方案的性能，研究叶片进口边是否位于同一轴面、叶片进口边的位置、叶轮前盖 板曲率半径对双吸离心泵性能的影响。通过对这些方案全流场数值模拟结果进行 对比分析，获得以下结论： 1 为了研究叶片进口边是否位于同一轴面对离心泵性能的影响，设计了三组 模型彳、b 、c ，其中模型a 的叶片进口边在同一轴面上，模型b 的外缘进口边后 掠l0 0 ，模型c 的外缘进口边前掠l0 0 。由数值模拟结果发现，b 、c 模型在3 组 模型中能量性能较为优秀，其中曰模型的速度分布与压力分布均优于模型c ，抗 汽蚀能力更强。因此对于中高比转速的双吸离心泵来说，叶片进口边不放在同一 轴面上可以提高泵的效率，将外缘进口边前掠或是后掠均可以获得更高的效率， 而外缘进口边后掠则具有更好的抗汽蚀性能。 2 为了研究叶片进口边位置对离心泵性能的影响，对彳、b 、c 三组模型的 原进口边位置分别进行三次后移，参考木模图，相对于原始进口边位置每次分别 后置2 0 0 、3 0 。、4 0 。，设计出包括原叶型在内的各四种模型方案( a a c d ) ，其 中a d 、b c 、c d 分别为三组模型中能量性能较为优秀的模型，模型肋的综合性能 最好，相对于原方案b a 在最高效率点时的扬程提高了1 5 3 m ，水力效率提高了 6 1o ，且高效点右移。 3 在叶轮径向和轴向尺寸不变的情况下，为了研究叶片问有效流道的进出口 面积比对离心泵性能的影响，取b 组叶轮为研究对象，b a 、b b 、b c 、b d 四组叶 轮的叶片问有效流道的进f l 口面积比分别为1 7 0 、1 6 5 、1 5 5 和1 4l ，均高于l 1 3 的推荐值。在这四组叶轮中，b c 叶轮的效率最高，b d 、b b 叶轮次之，b a 叶轮的 效率最低。这说明在叶轮叶片问有效流道面积比高于1 1 3 的推荐值的条件下， 币级双吸泵进几边参数对泵一陀能影响的研究 仍可以获得能量性能较好的叶轮，也说明叶片的进口边位置埘离心泵的性能有一 定的影响，叶轮进口边向进口方向延长并不一定能改善其水力性能。 4 对于固定的叶轮入口直径、叶轮外径和叶片进出口角，随着前盖板曲率半 径的减小，叶轮的最高效率点增高，高效区变窄，关死点扬程升高；随着流量增 大，前盖板曲率半径的变化对扬程的影响较小。 关键词：双吸离心泵；叶片进口边；叶型；设计参数；数值模拟 a bs t r a c t d o u b l e s u c t i o np u m ph a st h es i n g l es t a g el a g e rf l o wr a t e ，h i g hh e a d ，s i m p l e s t r u c t u r e ，a n do t h e rf e a t u r e s ，i se x t e n si v el yu s e do fp u m pp r o d u c t s t h ec u r r e n t p r o d u c t i o nd o m e s t i co fd o u b l e s u c t i o np u m pi nt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yi s t e np e r c e n t l o w e rt h a nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dm a k e t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o nt od o m e s t i cd o u b l e - s u c t i o np u m p ，i no r d e rt oi m p r o v e i t sh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e s a i m e da tas i n g l es t a g ed o u b l es u c t i o np u m pt y p ee s 2 0 0 2 5 0 ( n s = 18 5 7 ) w h i c h p r o d u c e di nad o m e s t i cf a c t o r y ，v e r i f yd e s i g n0 1 1 i m p e l l e rb yo 粥一d i r m n s i o m lt h e o r y , f i n d t h a tt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo f t h ed i s c h a r g es e c t i o na r e aa b n ec h a n n e lm i d l i n e ，e s p e c i a l l yt h e a r e am a rt h eb l a d ei n l e te d g e ，i sn o tw e l l ；u s et h ec f da n a l y s i ss o f t w a r e ，m a k ean u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l d ，f i n do u tt h a tt h e r ei sas t r o n gv o r t e xn e a rt h ei m p e l l e r e n t r a n c e b yt h e s ei n f e r e n c e s ，t h ec a u s eo ft h ep u m pe f f i c i e n c y i st h eh y d r a u l i cd e s i g no f i m p e l l e ri n l e t i sn o ts ow e l l b a s e do nt h i s ，a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h eb l a d ei n l e te d g e p o s i t i o no nt h es a m ea x i a lp l a n e ( o nt h es a m ea x i a lp l a n e ，t h eo u t e re d g eo f t h eb l a d e i n l e ts w e e p f o r w a r d ，t h eo u t e re d g eo ft h ebl a d ei n l e ts w e e p b a c k w a r d ) ，t h ep o s i t i o nof t h eb l a d ei n l e te d g e ，a n dt h ed i f f e r e n tr a d i u soft h ec o v e rd e s i g n14d i f f e r e n tm o d e l s c h e m e ，w h i chi n cl u d et h ep r o t o t y p e ( aa c d 、d a 、d b ，a m o n gt h e s e b ai st h e p r o t o t y p e ) o nt h eb a s i so ft h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o n ，s t u d yt h e i n f l u e n c eo f w h e t h e rt h eb l a d ei n l e te d g ep o s i t i o no nt h es a m ea x i a lp l a n e ，t h ep o s i t i o no ft h e b l a d ei n l e te d g e ，a n dt h ed i f f e r e n tr a d i u so ft h ec o v e ro np e r f o r m a n c e so ft h e d o u b l e - s u c t i o np u m p c o n c l u s i o nf o l l o w s ： 1 i no r d e rt ok n o wt h em f l u e n c eo fw h e t h e rt h eb l a d ei n l e te d g ep o s i t i o no nt h e s a m ea x i a lp l a n e ，d e s i g nt h r e eg r o u p so fi m p e l l e ra ，b ，c i m p e l l e ra b l a d ei n l e te d g e p o s i t i o n o nt h es a m ea x i a l p l a n e ，l m p e l l e r b 0 u t e r e d g e o ft h eb l a d ei n l e t s w e e p f o r w a r df o r10 0 ，a n di m p e l l e rc o u t e re d g eo ft h ebl a d ei n l e ts w e e p b a c k w a r d f o rl0 0 t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a t ，i m p e l l e rb ，ca r et h eb e t t e rm o d e l s ，f o ri m p e l l e rb h a st h eb e t t e rv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ea n t i - c a v i t a t i o np e r f o r m a n c ei s b e t t e r s o ，f o rt h em e d i u ma n dh i g hs p e c i f i cs p e e dp u m p ，s w e e p f o r w a r do ft h eo u t e r e d g eo ft h eb l a d ei n l e tc a ng a i nh i g h e re f f i c i e n c y ，s w e e p b a c k w a r do ft h eo u te d g eo f t h eb l a d ei n l e tc a ng a i nb e t t e ra n t i c a v i t a t i o np e r f o r m a n c e 2 b a c k w a r dt h ei n l e te d g eo ft h ep r o p e rt y p et h r e et i m e sr e s p e c t i v el y ，r ef e rt o w o o d e np a t t e r n s ，b a c k w a r d2 0 0 ，10 0 ，10 0 e v e r yt i m er e s p e c t i v el y ，d e si g n4m o d e l s o f e v e r yg r o u pi n c l u d et h ep r o t o t y p e a d 、b c 、c di st h eb e t t e ri m p e l l e ro f e v e r yg r o u p ， a n dt h ei m p e l l e rb ch a st h eb e s tp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h ep r o t o t y p eb a ，t h e h e a da tt h eb e s te f f i c i e n c yp o i n ti s 1 5 3 mh i g h e r ，t h ee f f i c i e n c yi s6 1 h i g h e r ，a n d h i g hef i l ei e n c yp o i n tr i g h tm o v e d t h i si l l u s t r a t e st h a t ，w h e nj a l n sa p p e a r e da t t h e b l a d ei n l e t ，b a c k w a r dt h e i n l e te d g ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n e eo ft h ep u m p ，a n d t h e r ei sab e s tp o s i t i o no fb l a d ei n l e te d g e 3 w i t h o u tc h a n g i n gt h ei m p e l l e rr a d i a la n da x i a ld i m e m i o n s ，e f f e c t i v e a r e ar a t i o b e t w e e nb l a d e so fi m p o aa n de x p o r ti sr e s p e c t i v e l y1 7 0 、1 6 5 、1 5 5a n d1 4 1 ，h i g h e rt h a nt h e r e c o m m e n d e dv a l u el 1 3 w ec a ns e ef r o mt h i s ，h i g h e rt h a nt h er e c o m m e n d e dv a l u ei nt h e g a s e ，n o tt h es m a l l e rt h er a t i o ，t h eb e a e rt h ep e r f o r m a r c eo ft h ei m p e l l e r t h ei m p a c to f t h e b l a d ei n l e te d g es h a p e st ot h ec e n t r i f u g a lp u m pp e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t , e x t e n dt h e i n l e ts i d ed o e sn o tn e c e s s a r 丑yc a l li m p r o v et h eh y d r a u l i cp e r f o r r m m e s 4 f o rc e r t a i ni m p e l l e re n t r a n c ed i a m e t e r , i m p e l l e rd i a m e t e ra n db l a d ea n g l e ，a l o n gw i t h t h ec o v | e rc t n v a t u r er a d i u sr e d u c e d ，t h ei m p e u e r sh i g h e s te f f i c i e n c yp o i n ti n c r e a s e ，b u th i g h e f f i c i e n ta r e an a r r o w e d t h eh e a dc u r v ec h a n g e sn o to b v i o u s l yb yt h ef l o wi n c r e a s e t h e r e f o r e ， f o rc e r t a i ne n t r a n c ed i a m e t e ra n di m p e l l e rd i a m e t e r , t h e r ei sab e s tv a l u eo f t h ef r o n tc o v e r c u r v a t u r er a d i u s a tt h es a m et i m e ，t h eg r e a t e rt h ef l o wr a t e ，r e d u c et h ei m p e l l e r c o v e r c t r c a t u r er a d i u st oi m p r o v et h ei m p e l l e ro u t l e tf l o ws t a t ef u n c t i o ni sn d r eo b v i o u s k e y w o r d s ：d o u b l e s u c t i o n p u m p ；b l a d e i n l e t e d g e ；b l a d es h a p e ；d e s i g n p a r a m e t e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 受世界性金融危机影响，全球经济发展面临严峻挑战。我国泵行业也不例外， 深受国内外泵产品需求市场萎缩的影响，发展放缓，运行困难。尽管这几年我国 泵行业企业普遍面临订货不足，成本上升，效益下滑严峻的考验，同时也为企业 产品结构调整提供了宝贵的时间【1 1 。离心泵广泛应用于工农业生产和居民生活的 各个领域，每年消耗在水泵机组上的电能占全国总电耗的2 l 以上，就一般城镇 水厂而言，泵站消耗的电费，通常占自来水厂制水成本的4 0 一7 0 ，甚至更多【引。 因此，研究离心泵的节能问题具有重要意义。 双吸泵是泵类产品中数量多、用途广泛的一种产品，其中单级双吸水平中开 式离心泵采用水平中开式结构，结构简单，该型泵吸入口和排出口均在泵轴心线 下方，检修时，可以不动进出口管路及电机，只要打开上泵盖即可吊出转子，将 全部零件拆下，因而维修十分方便；其次采用双吸叶轮，由两个相互对称的单吸 叶轮背靠背地或面对面地安装在一根轴上，能自动平衡由两个对称叶轮组成的泵 转子系统的轴向力，因而轴承的可靠性高，运行稳定；再次由于不存在平衡装置 泄漏，两侧叶轮共用一个压水室，只有两个盖板表面，所以双吸泵的效率比相同 比转速的单吸泵效率高；另外单级双吸中开泵还具有流量大、汽蚀余最小、密封 系统采用内循环、能方便更换轴套等优点。由于单级双吸中开泵有这些优点，所 以在水厂、电厂、钢厂、市政和建筑等部门获得非常广泛的应用【3 1 。近十年来， 由于归口技术研究所的不景气，离心泵产品的技术研究工作基本停止，各个企业 在此方面也没有开展更多的工作1 4 l 。由于双吸泵一般所配的功率大，是一种耗能 较大的设备。因此，使用单位对双吸泵的效率有较高的要求，而国内目前所生产 的双吸泵效率普遍不太高，尤其是一些比转速 低的双吸泵，其效率都比较低，有的泵效率达 不到7 0 1 5 1 。所以对于制造厂家来说，怎样提 高双吸泵的效率，设计出优秀的水力模型，显 得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 双吸离心泵的研究现状 国内现有的单级双吸中开泵产品主要有 s h 型和s 型。我l 鲴最早于1 9 5 4 年6 月，由沈 图1 1s h 型双吸离心泵 译级双吸泵进几边参数对泵性能影响的研多芒 曼曼曼曼曼曼鼍曼皇皇皇笪曼量曼量曼舅皇曼皇鼍舅曼皇曼暑曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼寰曼曼量曼曼鼍曼曼曼皇i 鲁曼曼曼曼 阳水泵厂开始自行研究试制单级双吸离心泵。接着按照前苏联x 型泵的型谱和标 准、系列参数设计了整个s h 系列泵产品( 图1 1 ) ，于19 5 7 年试制完成从6 s h 到4 8 s h ，全系列3 0 个品种规格的产品，流量：1 4 4 12 5 0 0 m 3 h ，扬程：9 - 14 0 m 。 5 0 m 扬程以上产品有lo 种，整个系列扬程范围偏低，泵的性能稳定，效率指标 较高。泵的转速分别为8 s h 为1 4 5 0 r m i n 、2 4 s h 为9 7 0 r m i n 、3 2 s h 为7 3 0 r m i n 、 4 8 s h 为4 8 5 r m i n 。19 6 2 年由当时的- s t 部通用机械研究所和沈阳水泵研究所共同 负责( 以沈阳水泵研究所为主) 组织了s h 型双吸泵的联合设计，性能参数范围： d = l6 2 1 10 0 0 m 3 h ，h _ - - 1 2 l2 5 m ，= 一2 0 8 0 。c ，制定了该产品的泵行业技术 标准【3 1 。当时由于受原苏联的设计思想影响较深，对安全系数、使用寿命等因素 考虑较多，因此s h 型泵的壁厚、中开密封而壁厚选择偏于保守，有许多规格泵 选用的是滑动轴承等。可以说当时的联合设计s h 型泵满足了国民经济建设的基 本要求，达到了苏联同型泵的水平，当然同时也存在着苏联泵的一些不足。 簿必；1铡穰一( r 【舅 十= 互瑚。 渤【渊焉冀鳓 图1 2s 型双吸离心泵 为了改进s h 型泵的不足，19 6 7 年沈 阳水泵研究所在上海联合了十多个泵厂进 行了第二次的联合设计，设计了s 型泵( 图 1 2 ) 来代替s h 型泵，与s h 型泵比较，s 型泵主要有以下几方面的优点：( 1 ) 提高 系列泵产品的效率，平均提高l - 5 1 3 1 1 ( 2 ) 泵的转向作了改变，s h 型泵从传动端看为 逆时针方向旋转，s 型泉为顺时针方向旋 转。这主要为了适当柴油机驱动的情况； ( 3 ) 泵体壁厚、中开密封面壁厚减小；( 4 ) 填料密封冲洗由外冲洗变为内冲洗；( 5 ) 泵滑动轴承改为滚动轴承； ( 6 ) 从加 工生产的角度，对有些不合理的地方进行了改动l 引。 长沙水泵厂在上世纪8 0 年代，在引进美国英格索兰技术的基础上发展了s a ( s a p ) 型双吸泵，共计1 3 个品种。流量：1 4 4 5 4 0 0 m h 。扬程：2 1 - 9 1 m ，中等 扬程泵居多。泵的效率比s h ( s ) 型泵高。从传动方向看泵顺时针方向旋转。s a p 型泵与s a 型泵相同，只是在结构上参考k s b 等公司产品作了局部改进，如可以 装机械密封等【6 】。 国外目前主要有德国k s b 公司生产的r d l ( 图3 ) 和o m e g a ( 图4 ) 型双吸 泵【7 8 】，美国p e n t a i r ( 滨特尔) 公司生产的a u r o r a 4 1 0 和p w t s 系列。与 国内产品相比，国外的双吸泵有以下特点：( 1 ) 性能范围很广，像k s b 公司双 吸泵除低扬程泵品种较少外，共计5 4 个品种，泵进口直径1 0 0 l0 0 0 m m ，流量 8 0 l3 6 8 0 m 3 h ，扬程1 4 18 0 m 。( 2 ) 结构紧凑，强度刚度好，可立卧两用，可 装机械密封或填料密封。( 3 ) 同一泵体装a 、b 两种叶轮，每个叶轮切割三次。 2 珂11 ：。7 ：1 市论文 这样每种泵有8 个性能曲线，大大扩大了泵的性能范围，为选泵创造了有利条件。 ( 4 ) 吸水室大部分设在下泵体上，上泵盖呈平凸形。传统泵的上泵盖上有一部分 吸水室，泵盖成山形。( 5 ) 造型美观。( 6 ) 泵的过流量大。( 7 ) 低比转速产品 效率非常高【3 1 。 图1 3 德k s b 公司r d l 型双吸泵图1 4 德k s b 公司o m e g a 型双吸泵 国内对双吸泵产品的需求日益增加，急需开发具有国外同类产品水平的新系 列双吸泵。几年来我们的在这方面作了一些工作，开发了o s 型系列产品。由几 家泵厂试制生产，基本上达到了预期的要求，市场形势很好。新系列产品参数与 k s b 产品相同，共5 4 个品种。在结构上吸收了国外产品的特点，可以立、卧安 装，可使用机械密封或填料密封。水力设计用自行开发的水力设计及绘型软件， 进行了精心设计。吸水室放于泵体上，压水室多采用矩形断面。部分产品经过二 次改进设计，系列产品基本达到设计要求【6 j 。但是依然存在很多问题，需要进一 步的提高和改进。 醺蹦。 领肘 图1 5 新开发双吸泵结构形式 国内部分学者专家已经就国内外双吸清水离心泵技术水平对比分析作了相当 详细的论述，在对全国泵行业骨干企业进行行业调查的基础上，收集双吸清水离 心泵3 0 0 0 余个规格的性能数据，将效率、汽蚀余量两个性能指标的实测数据、标 准数据、样本数据分别进行统计分析。对比分析发现：国外产品的效率指标平均 技术水甲爨高r j - 国内的效率指标2 5 ：困内的汽蚀余最指标平均技术水平要优f 单级双吸泵进口边参数对泵性能影响的研究 国外产品0 9 7 m 。在效率指标方面，优劣的顺序为：国内的样本值最高、国外的 样本值次之、国内的实测值最低。总之对比国内外的双吸泵技术水平，可以发现 国内双吸泵产品普遍汽蚀余量好但效率差，而国外产品效率明显好，但汽蚀余量 尸s h 偏差，可靠性好川。 1 2 2 离心泵优化设计的研究现状 自著名数学家欧拉首创叶片泵基本方程以来，泵的设计理论已逐步由一元理 论发展到二元理论和三元理论。但是日前在工程上，离心泵的设计基本上还是以 一元理论设计方法为主。为了提高设计效率，缩短设计时间，优化参数组合以达 到提高泵性能的目的，清华大学、沈阳水泵研究所、江苏理工大学等单位从二十 世纪其实年代丌始，先后开展了泵计算机辅助设计和优化设计的研究。经过许多 研究人员的努力，基于传统的设计绘图方法和程序，编制的泵水力性能计算机辅 助设计软件，已经发展到了相当的水平。其他方面的泵的c a d 研究、优化设计 方法的研究、泵的选型、电子样本、三维造型、c f d 、泵数据库等方面都取得了 重要的进展【引。 根据现有的对离心泵的设计情况和发展方向的研究表明，对离心泵优化设计 来说，传统的主要依靠相似设计法，目前主要有四种优化设计方法：速度系数法、 极值损失法、准则筛选法和基于流场情况的优化设计i l 。 速度系数法又称设计系数法，是s t e p a n o f f 于1 9 4 8 年提出的【l ，它以已有的 大量优秀水力模型为基础，统计出比转速和速度系数的关系( 公式、曲线、数据) ， 供设计新泵时使用。根据新的优秀水力模型及时更新比转速行和速度系数的关 系，就是速度系数法的优化问题1 1 2 3 1 。 文献【1 4 在对现有双流道式叶轮水力模型进行归纳总结的基础上，提出了新 的平面图流道中线方程、外流道曲线方程，以及流道中线截面面积变化规律。文 献【l5 】从理论上分析了轴面过水断面面积变化规律，建立了计算过水断面面积的 数学模型，探讨了盖板倾角与比转数的关系，提出了确定这一部分形状的方法。 泵的效率与损失是紧密相联的，要提高效率就要减少损失，最高效率应该对 应最小损失，损失极值法就是在这一思路下展开的。它以数学规划为理论基础， 以计算机为工具，通过建立各种损失与泵几何参数的关系，在保证设计工况流量 和扬程的情况下，寻求损失最小的泉几何参数组合1 1 3 j 。 何希杰，黄毓文【1 6 l 研究了离心泵在转速相同的条件下性能参数和叶轮几何参 数对效率综合影响及其排列顺序，并提出了用这些参数估算效率的一种多元回归 方法，突破单个因素对泵效率影响的传统研究模式，在离心泵性能参数和叶轮几 何参数中，叶轮进口直径玩对效率的影响最大，叶片包角少影响最小，它们影 响大小的顺序为叩：d o ，q ，h ，仍，b 2 ，1 9 2 ，z ，少；在转速萨常数的情况下，用 4 硕十学何论文 上述八个参数估算效率，其公式精度平均( 相对误差) 为4 ，对离心泵的设计 和研究具有重要实用价值和启发意义。张华娟等【1 7 】以降低叶轮进口冲击混合损失 为目标，对进口边为径向和轴向两种情况下的叶轮进口条件进行了优化，得到了 相应的进口直径计算公式。基于流体力学理论，充分利用水泵进出口速度分布等 宏观物理参量描述流体在叶轮流道内的流动，借助速度三角形分析计算离心泵内 的各种损失，揭示了几何参数对水泵性能的影响趋势，对水泵进行了综合性能预 测。所提方法可预测设计工况和非设计工况下的水泵性能。 随着计算机技术、计算流体动力学( c f d ) 和测试技术的快速发展，泵内流 动数值模拟【强j 和测试研究越来越深入。进行这方而的研究不仅仅是为了得到泵流 道内任意位置的速度、压力等流场特征，更重要的是利用这些流动特征进行泵性能 预测和优化设计的研究。在数值模拟方法上，大多采用基于r e y n o l d s 时均的 n a v i e r s t o k e s 方程( r a n s ) 的k s 湍流模型及其修正模型。近年来随着计算机性 能的提高，大涡模拟在泵内流动数值模拟方面的应用越来越多【1 6 之9 1 。 文献【1 7 提出了一种离心泵叶轮的计算机辅助设计方法，给出了保证叶轮流 道光顺的几何模型，在按过水断面面积变化规律设计叶轮流道时，对轴面流道和 叶片同时进行设计，使得最终设计出的叶轮轴面流道和叶片所确定的叶轮流道的 过水断面面积分布情况精确地符合设计目标。文献【2 5 1 采用大涡模拟方法( l e s ) 和滑移网格技术，对整个双吸离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟， 将泵的外特性的计算值与试验值进行比较得到了水泵内部流场特性及隔舌区计算 点的压力脉动情况，并对其进行了频域分析。 “ 文献【2 6 应用c f d 计算分析软件f l u e n t 6 3 2 6 ，选取标准k 湍流模型和 s i m p l e 算法，对型号为s h - 9 b 的双吸离心泵节能改造前后泵内流道进行三维湍 流数值模拟，并与现场采集的实际运行数据进行比较分析。改造前泵的实际运行 效率为6 3 2 ，叶轮为直叶片，叶片数量为6 ；优化设计改造后，叶轮的安装尺 寸不变，叶片为全三元扭曲叶片，蜗壳尺寸不变，泵的实际运行效率提高到7 3 3 。 离心泵改造前后实测运行工况不变，实测流量值为q = 2 0 0 0 m 3 h ，扬程为3 4 m ，并 分别从压力分布，速度矢最分布，数值效率等几个方面，对改造前后的双吸离心 泵性能进行了评价。应用c f d 商用软件f l u e n t ，对双吸离心泵内流场进行三维 湍流数值模拟的结果与现场实测数据相比较，基本相符。说明应用f l u e n t 进行 数值模拟具有一定准确性和可行性，这对进一步开展双吸离心泵的水力设计或改 型优化等研究有重要参考意义。 1 3 目前双吸离心泵研究及应用中存在的和待解决的问题 目前，离心泵节能优化已是备受关注的i u j 题，现在，主要有两种方式优化离 心泵。一是，采用c f d 软件优化设计，例如f l u e n t 。但是这蝗软件只适合最终 举级舣吸泵进n 边参数对泵性能影响的研究 曼曼曼皇皇詈曼曼曼曼邑皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇! ! ! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅舅曼1 鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼置曼曼置曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼置曼置 的检验，有些问题还不能解决，这正是c f d 与其他学科交叉发展的必然结果。另 一种是，用半经验半理论公式优化离心泵参数【30 1 。从现有问题上看，鲜有对原设 计进行设计检查，从设计理论角度找出原因，结合数值模拟论证的研究方式。 新开发的系列双吸泵产品，基本上达到了设计要求，可以作为传统产品的补 充和部份替代产品。部份新产品还存在一些问题，需要进一步改进，需要在性能 范围、性能指标和结构工艺等方面继续进行探讨，为提高我国双吸泵产品的水平 而努力1 6 j 。 1 4 本章小结 本章首先分析了双吸离心泵的研究背景与意义，之后介绍了国内外对双吸离 心泵的研究现状，回顾了当前双吸离心泵和计算流体动力学在产品设计和研发中 的应用情况，并探讨了当前国内双吸离心泵研究和应用中存在的一些问题，最后 引出本文的主要工作，为本课题的顺利进行做了铺垫。 6 硕 ：学何论文 第2 章双吸离心泵水力参数的选择原则 离心泵的设计方法有许多种，一般是在给定的流量、扬程、转速下对泵进行 设计。设计参数的选择对泵的设计至关重要，有时由于选择参数不当，会导致设 计结果不理想。因此，本文根据前人的设计经验，以及参数选择的经验，为不同 比转速的离心泵的设计参数提供更加合理的选择范围，以供设计时参考。 2 1 叶片数z 的选择 离心泵叶轮叶片数的正确选择是提高叶轮水力性能的重要措施之一。到目前 为止，还不能完全以理论方法准确确定叶轮的叶片数z 值。文献【3l 】认为，在叶 轮的参数中，对泵的效率而言叶片数z 和包角t , o 是两个重要参数，而叶片厚度s 和出口角屈是两个次要参数。为了使泵有更高的效率，应先确定合理的主要参数， 而后次要参数予以适当配合。但是，理论分析能为可靠地z 值选择提供依据【3 2 j 叶片数的选择与比转速有很大的关系，文献 3 3 】推荐的叶轮比转数与叶片数z 的关系见表2 1 ，同时给出了估算叶片数的估算公式： z = 6 5 业ls i nf 壁些1( 2 1 ) r ，一r 2 表2 1 叶轮比转速与叶片数的关系 刀j 3 0 4 55 6 06 0 1 2 02 0 3 0 0 z | 令 5 lo7 86 74 6 文献【3 4 1 建议一般的z = 5 7 ，叶片数较少时应选择较大的包角。文献1 3 5 根据泵 在某种情况下的理想运行曲线将叶片数z 的选择分为无过载泵和宽高效区，q 圩曲 线平坦的泵两种情况，认为无过载离心泵的叶片数z 取3 6 片，并通过试验得知最 佳叶片数为4 ：而一般情况下的叶片不宜取太少，以5 - 6 片为佳。 而根据国外资料，文献 3 6 】中认为，为了减小叶轮中的压力脉动和水力激振力， 叶片数不宜过小，8 个以上的叶片会造成q h 曲线的不稳定，甚至出现驼峰；而少 于5 个叶片，会使高扬程的泵在出流圆周上分布不均，结果导致不必要的强压力脉 动，噪音和振动。因此，当h l0 0 m 时应避免z 3 5m m 456 d o 3 5m m 4 叶轮叶片问流道扩散程度与叶片数有关，同时也与叶片包角有关。在z 值一定 时，较大的值对应的流道长度较大，同样降低了流道的扩散程度，有利于抑制叶片 脱流，见图2 3 。文献【3 8 给出了z 乘积与比转速数的关系，表明了z 和伊的互补 性。同时可以看出，这一乘积是随比转速降低而增大的。事实上，国内设计人员在 大量设计实践基础上提出的低比转速叶轮“少叶片大包角”的设计原则正是对这关 系的概括。文献【3 8 】推荐的z 矽与比转速的关系见表2 3 。 ( 英) 图2 1 叶片数与叶片出口角与比转数、关死点扬程降的关系 u u 求 陋 葚 制 g 掣 辍 口 * 斟 较 i i 桫 幔a d c a p 泌 蔷 形 岁零 慕 、 ， 气 匆l l s ， 性h c s 一一5 啪c s _ _ - - 4 垤， i 7 v 流量的变化百分比 图2 2 叶片数对离心泵性能的影响 综上分析，可以将叶片数的选择情况分为两类，推荐低比转速的离心泵叶片 数为钆5 片，高扬程时取大值，当叶片数较少时，可以通过增大包角来改善泵的 性能：一般情况下推荐叶片数为乱7 片，同时，根据图2 1 ，对应的叶片出口安 放角为2 5 。和2 7 。 8 图2 3 叶片包角与扩散度 表2 3 勿与比转数，7 的关系 i 拧j 3 5 5 05 5 7 0 8 0 1 2 01 3 0 2 2 0 2 3 0 2 8 0 z o 3 6 0 2 1 2 31 9 2 11 7 1 9 1 5 1 81 4 1 7 2 2 叶片出口安放角2 叶片出口安放角尾是叶轮的重要参数之一，对泵的性能有着重要的影响。由 叶片的出口速度三角形( 图2 4 ) 可以看出，在其他条件不变的情况下，仍越大， 则1 ，1 1 2 越大，即泵的扬程越高。但是屁对泵的性能的影响是多方面的，不能只从 一个方向去看问题。随着位的增大，叶片间流道弯曲严重，流道变短，相邻叶片 问流道的扩散角度变大，水力损失增加。同时，尾增大叶轮出口绝对速度增加， 动扬程增大，液体在压水室中的水力损失也增加。因此，仍的选择并非越大越好。 队 知 、广 ：厂、心 图2 4 叶片出口速度三角形 由叶片式水力机械的欧拉方程： 仇= 孑1 ( u 2 屹c 。s 口2 一u t l j l c o s 口1 ) ( 2 2 ) 变形得： m = u z ( u a 一竺r r d 咀；t b 2q r ) ( 2 3 ) 可以看出，在其他条件不变的情况下，理论扬程随着叶片出口安放角的增大 而提高。这一情况表明加大尾能缩小叶轮直径，缩小泵的体积。但是文献【3 9 】同 时认为，叶片出口角小( p 2 = l4 0 - 3 5 。) 的泵最为经济。 单级双吸泵进n 边参数对泵性能影响的矽f 究 文献【3 4 推荐应= 18 0 4 0 0 ，一般不超过5 0 0 。由图2 1 可以看出，文献 3 7 】推 荐的屈常用值在17 0 - 2 8 。文献【4 0 认为叶片出口角对高比转速离心泵的性能曲 线形状影响最为明显；随着叶片出口角的增大，低比转速泵扬程曲线变的更为平 坦，中等比转速泵扬程曲线趋势变化较小，高比转速泵扬程曲线变的更为陡降； 对于低比转速和中等比转速的泵，随着叶片出口角的增大，效率曲线的高效区范 围没有明显增大；但随着叶片出口角的减小，效率曲线的高效区范围明显减小； 对于高比转速泵，不论出口角增大还是减小效率曲线高效区范围都会变小。 文献【3 6 认为当叶片数在5 7 时，出v i 角一般在1 5 0 4 5 0 的范围内选择，最常 用的范围是2 0 0 2 7 0 ，为了达到效率要求以及使q 一日曲线稳定，则需要使选择的 出v i 安放角历与叶片出e l 宽度相适合。并推荐了一个最小化叶轮出口偏向角的标 准，即晚嘞b 屁不应大于l o o 1 4 。，以免在叶轮出口造成紊流损失。其中昆为叶 片出口处的液流角。 文献【3 5 】认为一般选择离心泵的2 为2 2 5 0 4 0 0 ，无过载泵的屈为8 0 15 0 。 增大尾会使q p 曲线有上升趋势且不平坦，q h 曲线变得平坦而不斗降，难以实 现无过载；对于宽高校区，q 日曲线平坦的泵，当比转速n s 8 0 时，选择较大的 2 ，一般情况下选择范围是2 5 0 5 0 0 ，并且试验验证在2 5 0 4 0 0 时，q h 曲线几乎 没有驼峰出现，同时比转速越低，选择越大的应。因位的增加，增大了叶轮出1 2 1 处的圆周速度，有利于扬程的提高，同时减小叶轮外径，有利于提高泵的效率。 因比转速低的泵的效率损失主要是圆盘摩擦损失；当比转速8 0 n 。 2 0 0 时，应的 选择范围在2 2 5 0 3 2 0 左右较为合理，比转速大者取小值。 文献【3 7 给出了叶片数和叶片出1 2 1 安放角选择的规律，如图2 5 o 援 辎 怅 - - 3 - 3 ， i ， ， uz一5i 口 叶片数 图2 5 推荐叶片数与出口安放角 综合以上分析，推荐叶片出口角应的取值范围为：无过载泵的尼取值范围在 8 0 15 。，比转速越小，取屈值越大：一般情况下可以讲, a 2 的取值范围缩小至2 0 。2 7 。， 比转速越大，取声2 值越小。 l o 硕1 ：学何论文 2 3 叶轮出口宽度b 2 叶片数z ，叶片出口角皮，以及叶轮出口宽度6 2 三者的选择，应该相互匹配， 相互适应，以获得稳定的q 日曲线和所要求的扬程系数。文献【37 给出了叶片数， 出口安放角，以及出口宽度三者的关系图，和b 2 的变化对泵性能的影响曲线，如 图2 6 ，2 7 ，图中数字的单位为英寸。 u j u 尔 阻 尊 制 蛊 蹦 蠼 臣 h 褂 较 - | li l 。、芒i 一1 墨b 。、 。 潍：玉气八 、气。p 。飞於e l 。 、 。矿 、 1 图2 6 最佳效率不变时，通过b z 的变化来确定叶片数和出口安放角 由图2 6 可以看出，随着b 2 的增大，会使随着流量增大的扬程曲线下降的更 缓慢，同时q 叫曲线向右移动，并且最佳效率提高，高效区变宽。但是由叶轮出 口宽度b 2 的