（流体机械及工程专业论文）不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善.pdf

江 苏大学硕 士 学 位论文 摘要 不锈钢冲压焊接离心泵是不同于采用传统铸造工艺生产的离心泵。该型泵的 制造技术先进，已经在微小型水泵的生产中得到了广泛的应用，制造过程中废 物少、耗材率低、环保。不过，该泵大多为低比转速离心泵，叶轮出口宽度小， 流道扩散严重，空化性能差。目前，对不锈钢冲压焊接低比转速离心泵定常、 非定常、动静干涉等方面的研究较多，但是对空化特性的研究还未见报道。本 文通过对不锈钢冲压焊接低比转速离心泵叶轮的空化特性进行理论分析、数值 模拟及试验研究，进一步完善该泵的内部流动机理，提出了通过空化调节轴功 率的理念，并进行了系列化改型设计。本文以浙江某公司的不锈钢冲压焊接低 比转速离心泵x s t 3 2 - 4 0 2 0 0 为蓝本，主要研究工作和研究结果如下： 1 推导了叶轮必需空化余量与进口几何参数之间的关系式，给出了影响叶 轮必需空化余量的参数，进一步分析了四种不同的必需空化余量的经验计算公 式，比较了四种公式之间的不同，给出了采用托马系数计算时不同转速下流量 和必需空化余量之间的关系图。结果表明：不同的经验公式中包含着不同的影 响因素；托马公式和酉岛公式相差一项，随着比转速的增加，酉岛公式的计算 误差也将增加；大流量时建议采用关醒凡空化比转速图来计算空化余量；泵形 式为穿轴时，建议采用何夕杰计算公式。 2 采用不同湍流模型进行数值模拟，探究了湍流模型的适用性。结果表明： 小流量工况下和设计工况下，五种湍流模型计算的结果相互之间相差很小，和 试验结果基本吻合；采用r n gk - e 模型计算精度最高，s s t 缸模型次之：标 准缸模型是可以用于低比转速离心泵的数值模拟中。 3 运用混合模型对该泵计算了定常、非定常泵空化内流场，给出了气相和 液相的分布，分析了不同时刻叶片吸力面和压力面空泡体积分数的变化规律。 研究表明，随着n p s h 的减小，泵内部的空泡体积分布增大，叶片吸力面空泡 产生严重堆积；随着泵的流量增加，空化性能逐渐变差同一半径处叶片吸力面 的气泡总是大于压力面的，气泡聚集在叶片进口位置，沿着叶轮半径方向i 二， 气泡体积数逐步减小。 4 进行了不同进口几何参数匹配的空化性能试验。结果表明：叶片前伸将 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 大大改善泵空化性能，泵发生空化的现象不明显，外特性表现为扬程、效率和 轴功率变化平坦；口环间隙的变化直接影响空化性能，随着口环问隙的增加， 空化性能下降；减小叶轮进口的速度，增大进口直径可以稍稍改善空化性能。 5 对改型设计后的泵做了空化试验和耐久性试验。结果表明：在偏向大流 量凹8 m v h 时泵发生空化，功率突降，起到了保护电机的作用；叶轮的失效 主要是前盖板与叶片之间的焊点脱离。 本文的研究对不锈钢冲压焊接低比转速离心泵通过空化调节轴功率给出了 理论和试验的支持，这种方法已经用于该泵的设计与生产实践中。 关键词：低比转速离心泵，叶轮，空化特性，无过载 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 a bs t r a c t s t a i n l e s ss t e e l s t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a lp u m pi s d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lc a s t i n gp u m p ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o ft h em i c r op u m p sd u et ot h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i ta l s oh a st h e a d v e n t a g e so fl e s sw a s t ea n dc o s t i n gl o w e rr a t es u p p l i e s h o w e v e r , f o rm o s to ft h e l o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p s ，t h eo u t l e tw i d t hi ss m a l l ，t h ef l o wp a s s a g eh a s s e r i o u sd i f f u s i o np r o b l e m ，a n dt h ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c ei sb a d a tp r e s e n t ，t h e r e h a v eb e e nal o to fs t u d i e sa b o u tt h es t e a d yo ru n s t e a d yc o n d i t i o n s ，r o t o r - s t a t o r i n t e r a c t i o no ft h es t a i n l e s ss t e e ls t a m p i n g - w e l d i n gl o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a l p u m p ，b u tt h er e s e a r c ho nt h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a sn o tb e e nr e p o r t e d b a s e d o nt h em o d e lp u m px s t 3 2 - 4 0 2 0 0f r o maz h e j i a n gc o m p a n y , t h i sa r t i c l ec o m p l e t e s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a n a l y z i n g t h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct oi m p r o v et h ei n t e r n a lf l o wm e c h a n i s m ，i tp u t sf o r w a r d as h a f tp o w e ra d j u s t m e n ta c c o r d i n gt ot h e c a v i t a t i o nm e c h a n i s m ，a n di td o e sa s e r i a l i z e dr e m o d e l i n gd e s i g n t h ef o l l o w sa r et h em a i nr e s e a r c ha n dr e s u l t s ： 1 t h i sp a p e rd e r i v e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei m p e l l e re s s e n t i a lc a v i t a t i o n r e m a i n d e ra n dt h ei n l e tg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，a n dg i v e st h ep a r a m e t e r se f f e c t i n gt h e i m p e l l e rn p s h i tf u r t h e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e sd i f f e r e n c e sa m o n gf o u re m p i r i c a l f o r m u l a so ft h en p s h , o b t a i n i n gt h ed i a g r a mw i t hf l o wa n dn p s ho fd i f f e r e n t r o t a t i n gs p e e dc o m p u t e db yt h et h o m a sc o e f f i c i e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n t e m p i r i c a lf o r m u l a sc o n t a i nd i f f e r e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ；t h o m a sf o r m u l ah a sa n a d d i t i o n a li t e mc o m p a r e dw i t ht o r i s h i m af o r m u l a ，s ot h ee r r o ro ft o r i s h i m af o r m u l a c a l c u l a t i o ni n c r e a s e sa st h es p e c i a ls p e e di n c r e a s i n g ；i nt h el a r g ef l o wr a t ec o n d i t i o n ， g u a nx i n g f a nc a v i t a t i o ns p e c i f i cs p e e dc h a r ti sr e c o m m e n d e dt oc o m p u t ec a v i t a t i o n r e m a i n d e r ；t h ew e a ra x i sp u m pi sr e c o m m e n d e dt ou s eh ex i j i ef o r m u l a 2 i th a sb e e ne x p l o r e dt h a tt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h et u r b u l e n c em o d e lb y s i m u l a t i n gd i f f e r e n tt u r b u l e n c em o d e l s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r e c o n s i s t e n t ，t h e r ei s f e wd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h er e s u l t sc a l c u l a t e d b yt h ef i v e t u r b u l e n c em o d e l si nl o wf l o wr a t ec o n d i t i o na n dd e s i g nc o n d i t i o n s s i m u l a t i o n su s e t h er n gk m o d e lw i t hh i g hp r e c i s i o na n df o l l o w e db ys s tk ( i ) m o d e l t h e s t a n d a r dk - c om o d e li su s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl o ws p e c i f i c s p e e d 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 c e n t r i f u g a l 3 t h eh y b r i dm o d e lh a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t e t h ep u m pc a v i t a t i o ni nt h e i n n e r - f l o wf i e l da tu n s t e a d ya n ds t e a d yc o n d i t i o n ，w ea n a l y s i st h er e g u l a t i o n so f v o l u m ef r a c t i o no fv a p o rp h a s e sl o c a t e do nt h eb l a d es u c t i o ns u r f a c ea n dp r e s s u r e s u r f a c ei nd i f f e r e n tt i m eb yt h ed i s t r i b u t i o no fa i r - p h a s ea n dl i q u i d - p h a s e w i t ht h e d e c r e a s e so fn p s h , t h ec a v i t yv o l u m ef r a c t i o no ft h ep u m pe x p a n d sa n dc a v i t i e s h e a v i l ya c c u m u l a t ea tt h eb l a d es u c t i o ns u r f a c e w i t ht h ei n c r e a s i n gp u m pf l o w , c a v i t a t i o np e r f o r m a n c eb e c o m e sw o r s e t h eb u b b l ea tt h eb l a d es u c t i o ns i d ei s a l w a y sg r e a t e rt h a nt h ep r e s s u r es i d eo ft h es a m ei m p e l l e rr a d i u s b u b b l e sg a t h e ra t t h eb l a d ei n l e tp o s i t i o n ，t h ev o l u m eo fb u b b l e si sg r a d u a l l yr e d u c e da l o n gt h e d i r e c t i o no f t h ei m p e l l e rr a d i u s ， 4 i tt a k e st h ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h et e s tm a t c h i n gt h ed i f f e r e n ti n l e t g e o m e t r i cp a r a m e t e r s i ts h o w st h a t ：t h eb l a d ep r o t r a c t i o n w i l l i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fp u m pc a v i t a t i o ns i g n i f i c a n t l y t h ep u m pc a v i t a t i o np h e n o m e n o ni s n o to b v i o u s ，t h ec h a n g e so fe x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ci nt h eh e a d ，e f f i c i e n c ya n ds h a f t p o w e ri sr e l a t i v e l yf l a t ；t h em o u t ho ft h er i n gg a pc h a n g eh a sad i r e c ti m p a c to n c a v i t a t i o np e r f o r m a n c e a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fm o u t hr i n gc l e a r a n c e ，c a v i t a t i o n p e r f o r m a n c e s u f f e r sd e c l i n e ；t h e r ei sal i t t l e i m p r o v e m e n to ft h e c a v i t a t i o n p e r f o r m a n c eb yr e d u c i n gt h ev e l o c i t yo ft h ei m p e l l e ri n l e to ri n c r e a s i n gt h ed i a m e t e r o fi m p e l l e ri n l e t 5 t h er e m o l d i n gp u m pa r ec o n d u c t e dt h ec a v i t a t i o nt e s ta n dt h ed u r a b i l i t yt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a sp u m pc a v i t a t i o no c c u r si nt h el a r g ef l o wr a t eq = 2 8 m 3 h c o n d i t i o n ，t h ep o w e rd r o p ss u d d e n l yt op r o t e c tt h em o t o r , t h em a i n l yc a u s eo f i m p e l l e ri n v a l i d a t i o ni st h es o l d e rj o i n ts e p a r a t i o nb e t w e e nt h ef r o n t e n d p l a t ea n dt h e b l a d e ， t h i sr e s e a r c ho ft h es t a i n l e s ss t e e ls t a m p i n g - w e l d i n gl 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 pc a v i t a t i o ng i v e st h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls u p p o r tt ot h e s h a f tp o w e ra d j u s t m e n ta c c o r d i n gt ot h ec a v i t a t i o nm e c h a n i s m ，t h i sa p p r o a c hh a s b e e nu s e df o rt h ep u m pd e s i g na n dp r o d u c t i o np r a c t i c e k e yw o r d s ：s t a m p i n g - w e l d i n g l o ws 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 ，i m p e l l e r , c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，n oo v e r l o a d 江 苏 大 学 硕 士 学 位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 不锈钢冲压焊接低比转速离心泵的叶轮出口宽度小，流道窄，不易铸造加工 等特点。从水力设计角度看，一般采用加大流量法设计，泵在运行过程中容易偏 工况，造成轴功率过载，进而导致烧毁电机：上海理工大学蔡保元教授提出的“二 相流稀相设计方法”和刘元义教授提出的“粘性水力理论和设计方法”成功地解 决了“偏工况”运行的现象【l j 【2 】【3 】 4 1 。从制造角度看，采用不锈钢3 0 4 或者3 1 6 板 材进行冲压焊接，焊接工艺又分为激光连续焊接、激光断续焊接、电阻凸焊和氩 弧焊接等，如图1 1 所示焊接叶轮；采用冲压焊接工艺有着很大的好处，如节能、 环保、生产效率高、质量稳定、易实现工业化生产等，极大地提高了泵的制造技 术。从过流部件造成的流动损失角度看，流道光滑，比传统铸造叶轮产生的圆盘 摩擦损失要小。外形美观，不需要喷涂漆；叶轮出口宽度6 2 小，最小可以在4 m m 以卜，这是铸造叶轮不可能实现的。该泵广泛运用于净水处理、楼宇供水、制药、 海水淡化等领域。也是目前低比转速离心泵制造技术的主要发展趋势。 ( a ) 激光连续焊接f 4 轮( b ) 激光断续焊接叶轮( c ) i 也阻凸点焊接叭。轮 i 簦l1 1 冲胝焊接离心泵叶轮 但是，不锈钢冲压焊接低比转速离心泵和铸造的低比转速离心泵一样，在大 流量工况下运行时由于空化的产生，流量一扬程、流量一效率、流量一功率等外 特性将发生突降。对于电阻凸焊叶轮，如图1 1 ( c ) 所示，由于大流量工况下周 期惟压力脉动的加剧，在离心力和流场压力载荷j t 同作用下，焊点受到较大的应 力作用，导致焊点出现脱焊，叶轮失效。 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 不锈钢冲压焊接离心泵最初由丹麦的格兰富( g r u n a d f o s ) 公司首先采用 冲压焊接方法生产离心泵叶轮，2 0 世纪8 0 年代推出了整体冲压成型多级离心泵， 但当时基础研究较薄弱，工艺水平低，产品品种少，没有形成规模。到了2 0 世纪 9 0 年代，国外冲压泵技术有了较大的发展，采用冲压焊接制造的叶轮直径已达到 4 0 0m m ，并向着标准化、系列化、通用化方向发展，目前冲压离心泵己达到9 个 系多i j 4 8 0 种规格。日本茬原( e b a r a ) 铺i 作所2 0 世纪9 0 年代中期，在意大利特伦蒂 诺( t r e n t i n o ) 的克莱斯( c l e s ) 离心泵制造厂( l o w a r a ) 生产单级单吸冲压泵，年产 量达至l j 4 0 万台，并在欧洲申请了三项发明专利、在日本申请了多项发明专利，进 行知识产权保护。美国i ，丌公司也从2 0 世纪8 0 年代后期开始生产冲压焊接离心泵。 国内蔡保元教授等在2 0 世纪9 0 年代中期，采用稀相轻介质的“粘性三元流”水力设 计方法，将两相流泵的水力设计理论与冲压成形工艺结合起来，在工艺上设计了 自动组合成型模具，成功研制出c y b 系列不锈钢冲压焊接单级离心泵，在广东阳 江新粤华不锈钢泵有限公司批量生产，其性能优于日本同类产品，被国家科委、 国家计委、国家经贸委推荐为优秀节能新产品，并获得国家专利【5 1 。 本文以浙江某有限公司的x s t 3 2 4 0 2 0 0 型不锈钢冲压焊接低比转速离心泵 为研究对象，对内部流场进行定常、非定常、空化数值模拟，分析空化稳态、瞬 念过程中流场变化规律，进而探索改型设计后的泵通过空化来调节轴功率的方 法，使得泵无过载。 1 2 国内外研究现状 p q 图1 2 无过载功率一流鼙曲线 1 2 1 不锈钢冲压焊接离心泵研究现状 不锈钢冲压焊接离心泵可以见到的最j i j 文献是上世纪9 0 年代蔡保元教授【6 】 的研究，之后很长一段时间内研究者较少，直到新世纪后这方面的研究力为众 2 江 苏 大 学 硕士 学位论文 多学者所重视，并取得了丰硕的成果。蔡保元( 2 0 0 1 年) 【7 l 根据冲压焊接成型 离心泵比转数低、叶型薄、对粘性适应性较弱、工艺复杂、模具众多等特点， 研究了冲压焊接成型离心泵的一种新的水力设计方法以及水力设计与成型工 艺。钱锐( 2 0 0 1 年) 【8 趣过试验，主要从叶轮角度研究了低比转速冲压焊接成 型离心泵扬程曲线的控制问题，得出影响犀一q 曲线形状的叶轮参数变化规律。 刘元义( 2 0 0 2 ) ( 2 0 0 5 年) 【9 】【1 0 】【i i 】提出了把“理想流体，作为参照量，把粘性 边界层作为水流动边界条件的粘性水力设计方法。针对冲压焊接多级离心泵吸 入口的流态，推导出了粘性条件下的畸变方程式和输运方程式，以此应用于冲 压焊接多级离心泵的水力设计，实践应用改善了冲压焊接多级离心泵的性能， 提高了运行效率。 张济洲1 坦j ( 2 0 0 5 年) 介绍了冲压不锈钢焊接离心泵的应用前景、常见使用 缺陷，在分析缺陷产生原因的基础上，提出设计和加工中的改进措施。黎义斌 ( 2 0 0 6 年) 1 1 3 】通过c f d 技术研究了冲压焊接离心泵过流部件在准非定常条件 下的流动特点，分析了叶轮和蜗壳之问的耦合特性与离心泵性能的内在关系。 在此基础上提出冲压焊接离心泵性能优化目标和措施。在初步水力设计、数值 模拟和试验研究的基础上对冲压焊接离心泵进行了研究和总结。 王广业( 2 0 0 6 年) 1 1 4 1 首先对低比转速离心泵现行的设计理论和设计方法作 了介绍，包括加大流量设计法、减小或消除扬程曲线驼峰的途径、无过载设计 及复合叶轮设计法等，结合冲压焊接多级离心泵的特点，分析了影响泵性能的 各种因素，按照粘性水力设计方法设计了叶轮，并对叶轮几何参数进行了优化， 从而达到消除扬程曲线驼峰、无过载及提高离心泵效率的目的；其次对离心泵 叶轮内部流场的数值计算提出了合适的湍流模型和数值解法，并对网格划分提 出自己的看法；最后利用c f d 商用软件c f x 模拟了冲压焊接多级离心泵的刀 刃型、机翼型、堵塞流道型叶片叶轮的内部流动，通过对叶轮内部流体流动的 模拟，探索了叶轮内部流体流动的规律及分析了泵的性能，减少了对设计经验 和试验数据的依赖，达到了缩短研制周期、降低生产成本的目的，为丰富和完 善不锈钢冲压焊接多级离心泵的设计理论、提高不锈钢冲压焊接多级离心泵的 水力性能提供了有价值的依据。 刘元义( 2 0 0 6 年) l 6 j 应用标准湍流模型加壁面函数法对低比转数冲目i 多级 3 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均一方程的数值计算，分析了叶轮内部 流场的速度分布和压力分布，研究了离心泵叶轮通道内流动的规律，并利用c f d 软件c f x 的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值。梁 跃( 2 0 0 7 ) 0 7 】介绍了冲压焊接多级离心泵的设计特点，并结合其特点介绍了多 级离心泵的选型等应用方面问题。刘元义( 2 0 0 7 年) 1 1 9 介绍了超低比转速离 心泵水力设计的研究现状及设计过程中叶轮参数的选取方法。讨论了超低比转 速离心泵发展中有待解决的问题，并对发展趋势作了前瞻。 黎义斌( 2 0 0 8 年) 1 2 0 1 对一低比转数冲压焊接离心泵在带分流叶片以及不带 分流叶片情况下的叶轮及蜗壳耦合场进行了数值模拟，计算采用雷诺时均方程 和r n gk 一湍流模型，速度与压力耦合采用s i m p i e c 算法，计算了设计工况、 小流量工况及大流量工况下离心泵内部流场分布，增加分流叶片后，离心泵叶 轮流道内的回流和二次流现象得到了有效控制，对比分析性能预测与试验结果 的差异；在设计工况时离心泵性能预测的最大偏差为3 ；非设计工况时性能 预测的最大偏差为l o 。 辛春宏( 2 0 0 8 年) 1 2 1 】详细分析了不锈钢冲压焊接多级离心泵的设计过程， 在离心泵基本方程的基础上，给出了泵的具体水力设计参数，在工程应用中获 得良好的水力性能，验证了参数的正确性。 张翔( 2 0 1 1 年) 1 2 2 从内部流动结构与机理中寻找规律，在流动规律上探讨 能量转换特点，以能量转换特点为基础摸索设计方法的思路开展研究，利用正 则化螺旋度法提取流场内流向涡结构，进而探讨了不锈钢冲压焊接离心泵进口 段、叶轮和蜗壳内流体的流向运动特征；研究表明，非最优工况下，进口段存 在明显的诱导旋涡且涡核位置偏离进口段几何中心，位于进口段内远离蜗壳隔 舌的一侧；在( 0 乒1 4 ) 伪工况下，叶轮内的流向涡主要是慢速旋转的曲线涡， 由于旋涡聚集不充分，对离心泵性能影响较弱；蜗壳内则由一对逆向旋转的对 称涡占据，在大流量工况，扩散段内存在显著的二次涡并伴随有旋涡破裂现象， 引起了能量损失的增加；推导出了旋转坐标系下壁面涡通量( b v f ) 的表达式，利 用基于边界涡量动力学的三维流动分离理论判断了叶轮内的定常流动分离状 况。结果发现，离心力是叶轮大部分区域中诱使流动分离的重要原因；在不锈 钢冲压焊接离心泵叶轮的绝大部分区域内，大尺度流动分离发生的几率很低， 4 江 苏 大 学 硕士 学位论 文 流动基本呈现出“有序”的流动状态：在定常和非定常状态下，分别对叶轮内流 体能量分布与变化过程、叶轮对流体做功的时空分布特点、水力损失的成分构 成与分布规律等能量转换特性进行了研究；结果表明，叶轮出口喉部前的实际 流道是能量转换的关键区域，流体的大部分能量在此区域获得；叶轮内水力损 失的主要成分是壁面摩擦损失，集中分布在叶片吸力面侧和叶轮出口附近。针 对非定常状态下能量转换过程瞬态输入输出总量不一致的问题，基于流体力学 基本方程推导出动能变化率和动能密度变化率的计算式，清晰地展现了流道内 能量变化的时空分布特点，解释了能量转换的非定常特性；在定常和非定常状 态下，对蜗壳内动静压能相互转化的空间分布与强度特点、能量沿流向变化规 律等能量转换特性进行了研究，并利用动量矩守恒定理揭示了蜗壳内静压周向 分布不均的成因，认为蜗壳内周向压力分布不均是断面大小不可变的蜗壳之固 有属性，同时也是导致不锈钢冲压焊接离心泵能量转换呈现出不稳定波动特性 的根本原因；利用能量转换特性的研究成果，将离心泵扬程拆分为动扬程和静 扬程分别计算，提出了离心泵扬程的理论计算方法。通过与7 台设计比转数介 于3 2 1 6 3 的离心泵试验结果对比，证明了理论计算结果与试验结果吻合程度 高，计算方法可靠；结合能量转换特性的研究和不锈钢冲压焊接工艺的特点， 分别探讨了以叶片包角和叶轮轴面宽度为代表的叶轮几何参数对离心泵性能的 影响；提出了叶轮出口喉部平均安放角& 、等效叶轮出e l 宽度b e 2 的概念以及& 、 b a 和出口滑移系数盯的计算方法并以此求解叶轮出口速度三角形。将新的计算 方法与之前提出的离心泵扬程理论计算方法相结合，j 下确预测了叶片包角和叶 轮轴面宽度变化；筛选出叶轮外径1 9 2 、叶轮出口喉部平均叶片安放角& 、叶轮 等效出口宽度6 e 2 、滑移系数口、蜗壳喉部面积a 。作为水力设计主要参数，建立 了主要参数与不锈钢冲压焊接离心泵外特性间的函数关系，并利用最优化算法 求解满足多重设计目标和约束条件的变量值：基于5 次h e r m i t e 插值函数，建 立了一种能够满足本文设计方法要求的叶片绘型方法，完成了能够实现多重设 计目标的不锈钢冲压焊接离心泵水力设计方法：应用水力设计方法对三款具有 多重设计目标要求的不锈钢冲压焊接离心泵进行了设计。 1 2 2 离心泵内空化研究 1 离心泵空化理论研究 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 离心泵空化理论方面主要是国内外一些泵手册【2 3 1 2 4 11 2 5 给出的分析和计算 公式。高传昌【2 6 1 等根据空化基本方程，导出了离心泵必需空化余量表达式，研 究了变阀调节和变速调节与离心泵空化特性之间的理论关系，并对这两种调节 方法在减轻和防止水泵空化方面进行了分析：何希杰【2 7 1 采用统计和回归分析方 法，研究了中国和美国标准中泵空化余量曲线，提出了两种标准中空化余量图 线的数学表达式，讨论了这些公式计算的结果，指出了它们之间的差别，结果 显示，h i 图线公式普遍好于g b 图线公式；牟介刚【2 8 】等对离心泵的初生空化 和临界空化状态进行了详细分析，提出了不同使用条件下应采取不同的离心泵 空化判据和相应的空化性能设计方法，指出临界空化余量和初生空化余量之间 没有一定的倍数关系，对所有泵都用同一判据来表征空化性能并用同样的方法 来设计叶轮是不恰当的；潘中永【2 9 】等根据离心泵空化余量的计算公式分析了影 响空化性能的因素，绘制了空化比转速的图谱，通过图谱发现，获得最高空化 比转速对应的最优进口叶片安放角在1 0 0 3 0 , 之间，叶轮进口处的设计比泵体 的设计对泵空化比转速的影响大，根据初生空化比转速的计算，基本上所有的 离心泵都是在空化状态下工作的，划分了离心泵的容许空化运行区域的边界。 潘中永1 3 0 】等通过对离心泵空化余量计算和分析得出了非设计工况下的空化余量 是有意义的，从泵的空化余量设计公式出发，分析了泵空化余量试验确定方法 和预测方法的不足，提出了一种与叶轮外径无关的应用“拟似”扬程确定泵空化 余量的方法，分析了泵空化性能与几个关键参数之间的关系，提出了预测泵空 化性能曲线的简单有效的方法。 2 离心泵空化试验研究及性能改善 刘厚林等【3 l 】根据设计流量下离心泵空化余量的影响因素，确定了人工神经 网络的拓扑结构，应用m a t l a b 的神经网络工具箱，建立了单级单吸离心泵空 化性能预测的b p 神经网络模型，预测了离心泵空化余量。潘中永 3 2 1 应用快速 摄影和c f d 技术对发生空化的离心泵进行了研究，探索了降低n p s h r 的方法。 袁建平3 3 1 等通过改变泵进口参数，对叶轮特性做了深入分析。张人刽3 4 1 等通过 对进口流动的控制来改善空化性能。朴奇镛【3 5 】等详细分析了离心泵空化现象产 生的原因和危害，推导出临界空化余量和允许吸上真空度关系计算公式，介绍 了试验室空化试验采用的原理和方法。蔡彬i 3 6 】等介绍了改善叶轮设计、提高离 6 江苏大学硕 士 学位论 文 心泵空化性能的传统措施和方法，指出了利用c f d 技术提高离心泵叶轮空化性 能是今后研究热点。山本隆义等1 3 7 l 通过加速度传感器测得的数字振动信号，可 以分析得到当前的空化强度，并进而分析空化对泵过流部件的破坏程度，以判 断泵能否在当前状态下运行。倪永燕【3 8 】等在一台闭式试验台上对以采用加大流 量法设计的低比转速离心泵进行了空化特性和出口压力波动特性试验研究，分 析了泵装置空化余量和泵出口压力波动之间的关系。y o k o y a m a 3 9 】通过对蜗壳泵 叶轮进行了不同进口参数研究，分析了其对空化的影响。r o u s s e l 4 0 】采用速度传 感器传递空化振动信号对离心泵的振动特性进行诊断，以分析泵的故障起因， 并为维护工程师提供了最佳方案。c u d i n a 4 i 】分析了离心泵发出的声音，发现频 率为1 4 7 h z 的音频和空化过程相关性很强，这种音频可以检测泵空化初生和空 化强度，可以确定必需空化余量n p s h ，和临界空化余量。a l f a y e z 4 2 l 应用a e 技 术对一6 0 k w 的离心泵进行了试验研究，证明a e 传感器不仅可以预测空化初 生，还可以确定泵的最优效率点。美国f f p i 公司根据多年的研究经验认为空化、 动静部件干涉等原因引起的泵输送介质的压力脉动是引起离心泵空化的主要原 因。 3 离心泵空化的c f d 研究 近些年，随着计算机技术和气穴模型的快速发展，通过c f d 技术模拟空化 成为一种可能，学者们在这方面也做了大量的研究。付裂4 3 】通过c f d 技术对低 比速疏水泵单个流道的空化性能进行了数值模拟，改善了电厂疏水泵的空化性 能。黄道见】利用汽液两相流模型分析了空化发生过程中的叶片静压分布，揭 示了叶轮内汽液两相流场的内在特征。孔繁余等【4 5 】为了改善高速磁力泵的抗空 化性能，在泵进口处设置了导流栅，通过对设置和未设置导流栅的磁力泵的空 化模拟得出，设置导流栅的空化性能明显高于未设置的。叶晓琰等m 】对高温减 压塔底泵设计了两种水力模型，针对三种工况2 种相位做了数值模拟，和试验 很吻合，c f d 技术准确预测了离心泵空化性能。牟介刚等【4 7 】通过f l u e n t 软件对 不同口环问隙的离心泵进行空化模拟，比较分析得出，离心泵叶轮口环间隙越 小，空化性能越好。k u r o k a w aj 掣4 8 】对诱导轮和离心泵进行的数值模拟，揭示 了空化时二者内部流动规律。黄思等【4 9 1 应用r a y l e i g h p l e s s e t 气泡方程建了离 心泵空化模型，并与气液两相湍流控制方程耦合求解，得到了多级离心泵内三 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 维湍流场及气液相分布，捕捉到气泡的初生、发展及冷湃过程，计算了不同流 量下的离心泵的必须空化余量并与实测结果进行了对比分析。 1 2 3 涡粘湍流模型在离心泵中的适用性研究 随着计算流体力学技术的发展，使用数值仿真技术研究离心泵内部流动已 经成为了重要的研究手段。数值模拟中湍流模型的选取直接影响数值模拟的精 度，不恰当的湍流模型在计算过程中会带来较大的误差。 学者们在不同计算模型的湍流模型选取方面做了研究，张淑佳【5 0 1 等采用三 种不同加涡粘湍流模型，对i s 8 0 6 5 1 6 0 离心泵九个工况整机系列相对位置定 常数值模拟显示，三种涡粘湍流模型均适应于离心泵内部流场模拟，采用 r e a l i z a b l ek - e 模型与试验吻合最好：徐朝晖【5 1 】等运用三维n s 方程、r n gk - e 模型和滑移网格技术很好地模拟了带导叶的离心泵三维非定常动静干涉流动问 题，给出了压力脉动的变化规律；王国玉【5 2 1 等采用四种不同的湍流模型数值模 拟了n s = 6 0 0 的轴流泵内部流动，设计工况下可以较精确预测外特性，f b m 模 型可以大幅度提高非设计工况下的预测精度；施法佳【5 3 】等运用三种涡粘湍流模 型对n s = 1 0 0 0 的轴流泵数值模拟指出，设计工况下三种模型相对误差不大于4 ， 但偏离设计工况时三种模型表现特性不一。 综上所述，关于不锈钢冲压焊接国内有不少高校在研究，如：山东理工大学、 上海理工大学、江苏大学和兰州理工大学等。本文选取冲压焊接离心泵为研究对 象，在前人对该泵研究的基础上，对其单相、空化调节轴功率等进行研究。 1 3 本文研究的主要内容 本文在国内外学者研究离心泵空化的基础上，进一步探究空化余量的计算 方法，利用c f d 技术和试验分析不锈钢冲压焊接低比转速离心泵x s t 3 2 4 0 2 0 0 内部单相流动特性和空化特性，研究空化调节轴功率的可行性。 主要研究有： 1 推导泵空化余量与进口几何参数之问的关系式，初步探索影响泵空化余 量的参数，分析比较不同的空化余量经验计算公式，以满足本文研究对象的需 要。 2 运用三维造型软件p r o e ，构建出x s t 3 2 4 0 2 0 0 不锈钢冲压焊接低比转 江苏大学硕士学位论文 速离心泵的进出口延伸段、叶轮、蜗壳。分析和对比不同涡粘湍流模型对该泵 的适用性，确定最优的涡粘湍流模型。 3 计算定常、准非定常和非定常泵内流场，分析泵内部压力分布、速度分 布、湍动能耗散分布和流线，探索各工况下泵内部流动的规律。 4 运用f l u e n t 空化模型计算定常、非定常泵空化内流场，分析叶轮内部气 相和液相的分布，分析空泡体积分数的变化规律。 5 通过开式试验台进行不同进口几何参数匹配的空化试验，提出空化调节 轴功率的无过载设计思想，并在空化状态下进行耐久性试验。 9 不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮的空化特性研究和改善 第二章不锈钢冲压焊接低比速离心泵叶轮空化特性 理论分析 2 1 空化概述 自1 8 9 3 年空化现象发现以来，人们对各种水力机械的空化问题做了大量的 研究。空化发生剧烈程度直接影响着泵的水力性能，且空化发生时会产生很多 负面影响，如过流部件破坏、水力性能下降及振动噪声等。必需空化余量是对 于泵的设计、试验和使用均十分重要的空化基本参数，是反映泵空化性能的直 接标志。因此，准确理解和确定出的叶轮必需空化余量在设计中是很重要的。 2 1 1 空化的发生 空化发生的过程：液体汽化时的压力为液体的汽化压力( 饱和蒸汽压力) 。 液体汽化压力的大小和温度有关，温度越高，分子运动越为剧烈，其汽化压力 越大。1 0 0 。( 2 水的汽化压力为1 0 1 2 9 6 p a ，而2 0 0 c 常温清水的汽化压力为2 3 3 8 p a 。 所以，当2 0 。c 常温清水的当压力降低为2 3 3 8 p a 时，开始发生汽化。可见，在 一定温度下，压力是促使液体汽化的外界因素。本文研究的叶轮运行在 2 0 0 c - 4 0 0 c 清水。 液体在一定温度下，降低压力至该温度下汽化压力时，液体便产生充满气 体的汽泡，这是产生空化的根本原因。从液体中分离出来的空气或者其他汽泡， 对空化的影响和蒸汽泡不同。 空化产生的汽泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力 上升而导致的汽泡消失在液体中的现象称为汽泡的溃灭。 2 1 2 空化的阶段及种类 初生阶段：用肉眼或其他手段检测出汽泡的发生 发达阶段：初生阶段进一步发展，汽泡大量发生 终结阶段：由于压力上升汽泡消失 空化分为以下四种类型： 游离或者移动空化：在流动的液体中产生汽泡，同时在液体中成长，到高 l o 江苏大 学 硕 士 学位论文 压处溃灭 固定空化：在置于流动中的物体表面或流道边壁上形成气穴，并附着于壁 面上 漩涡空化：在旋涡中低压部分发生空穴。在螺旋桨翼端发生的空化就属于 这种空化 振动空化：在大振幅、高频压力脉动液体中发生的空化。 水力机械中往往发生移动空化和固定空化【l j 。 2 1 3 离心泵空化的危害 1 使水泵性能恶化，空