（流体机械及工程专业论文）旋流泵性能研究及叶轮三维造型.pdf

摘要 旋流泵是一种工作原理及设计方法都很特殊的无堵塞泵。随着科学技术的不 断进步和经济的发展，旋流泵以其独特的性能和结构在造纸、化纤、环保、矿山、 食品与水产、建材等工业领域和农村抽送牲畜废物、挖塘等方面得到了广泛应用， 而且其应用范围有逐步扩大的趋势，因而有必要对旋流泵做进一步的研究，以便 设计出效率高、可靠性好的旋流泵，满足社会需要。 本文在全面分析旋流泵研究历史和现状的基础上，对旋流泵的性能进行了研 究，并对旋流泵叶轮实现了参数化三维造型。在国内外首次把旋流泵无叶腔和叶 轮作为一个整体，对其内部流动进行数值模拟，对计算结果进行了分析和研究， 并对今后的研究工作提出了一些建议。本文的主要工作如下： 1 全面系统地概述了前人的研究成果，并进行了归纳和总结，从能量转换 的角度分析了旋流泵几何结构参数对泵性能的影响。 2 利用p r o e n g i n e e r 软件的二次开发工具p r o p r o g r a m 和f a m i l yt a b l e ， 采用基于特征的参数化设计方法，编制程序，对旋流泵常见的三种形式叶轮进行 三维造型，并且制成便于文件管理的零件族表。通过人机对话，真正实现了参数 化三维设计。 3 对型号为w o x 2 0 - 1 6 2 2 的旋流泵内部流道进行三维造型，介绍网格生成 技术，并将非结构化网格生成技术应用于旋流泵的内部流场，通过构造泊松方程 源项，q ，r 分布函数控制网格的疏密度。 4 对计算模型进行了阐述，应用商业c f d 软件f l u e n t ，国内外首次把旋流 泵无叶腔和叶轮作为一个整体，对其内部三维不可压湍流场进行数值模拟。通过 调研分析和比较，采用工程实际中广泛应用的湍流模型即基于雷诺时均方程和 j 一占双方程湍流模型，利用有限体积法对控制方程进行离散，采用交错网格存 放变量，然后用s i m p l e c 算法来求解，并对计算结果进行了分析和研究。研究结 果对旋流泵水力设计理论的完善提供了一定的理论依据，对生产实践具有一定的 指导意义。 关键词：旋流泵，性能，p r o e ，参数化设计，k - s 湍流漠型，数僮濮拟 a b s t r a c t t h ev o r t e xp u m pi sak i n do fn o n c l o g g i n gp u m pw i t hs p e c i a lt h e o r i e sa n dd e s i g n m e t h o d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y v o r t e xp u m pa r ew i d e l y 捌i nf i e l d so fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ei no u rc o u n t r yf o ri t su n i q u er u n , i o na n d s t r u c t u r e a n di t su s i n gf i e l d s 黼t e 。o m m gl a r g e r i no r d e r t os a t i s f yt h ep e o p l e s r l e 虻d s i ti s n e c e s s a r yt om a k eaf u r t h e rs t u d yo nv o r t e xp u m p , t od e s i g nm o r e e f f i c i e n c ya n dm o r el i a b l ev o r t e xp u m p 。 o nt h eb a s i so f t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t eo f t h e r e s e a r c h0 1 1v o r t e xp u m p , t h i s 牟攀胃i n v e s t i g a t eo l lp u m pp e r f o r m a n c e t h r o u g h s e c o n d a r ye m p o l d e r e dt o o l si np r o e ，c o n s t r u c tt h e3 * dm o d c io fi m p e l l e rw i t h p a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d f o rt h ef i r s tt i m e 。c o n s i d e ri m p e l l e ra n dv o l u t e 黼aw h o l e c m c u l m ef l o wf i e l d sv e l o c i t ya n dp r c s s u r eo ft h ep u m pi n t e r i o rt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , a n a l y z e dt h er e s u l ta n d # v es o m es u g g e s t i o n s ，h e r ei st h em a i np o i n t s ： 1 s u m m a r i z et h ef i a f i t so ft h ef o r m e r sr e s e a r c ho nv o r t e xp u m p c o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m i c a l l y ，a n a l y s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e c nt h e 群砖m e 埘c a l p a r a m e t e r sa n dp u m pp 蕊f o m m e ef r o mt h ee n e r g y 越l g k 2 t h r o u g hs e c o n d a r ye m p o l d e r e dt o o l sp r o p r o g r a ma n df a m i l yt a b l ei n p r o e ，p r o g r a m m ea n dc o n s t r u c tt h e3 - dm o d e lo fi m p e l l e rw i t hp a r a m e t r i cd e s i g n m e t h o 也t h e nc o n s t r u c taf a m i l yt a b l ew h i c hi sc o n v e m e mt om a n a g ed o c u m e n t 3 c o n s t r u c tt h e3 dm o d e lo ft h ei n n e rf l o wf i e l df o ram o d e lo f w q x 2 0 - 1 6 2 2 i n t r o d u c e dm e t h o d so f 蛳dg e n e r a t i o n , a n da p p l yu n s t n l c m r e dg r i d g e n e r a t i o nt e c h n i q u et ov o r t e xp u m pi n t e m a lf l o wa r e a g r i dd e n s i t yi sc o n t r o l l e db y t h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n sp ，q ，融 4 d e s c r i b et h es o l v i n gm o d ed e t a i l e d l y u s i n gt h et r a d ec f ds o 蠹黼n a m e d f l u e n t , f o rt h ef a s tt i m e 。c o n s i d e ri m p e l l e ra n dv o l u t ea saw h o l e , s i m u l a t ev o r t e x p u m pi n t e m a lf l o wf i e l d b ya n a l y s i sa n dc o m p a r e ，r e y n o l d st i m e - a v e r a g e dc o n t r o l e q u a t i o n sa n d 膏一占t w o - e q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e li sa p p l i e d , w h i c hi sw i d e l y u s e d i nt h ee n o n e e r i n g a n d 峨b f c s t a g g e r e dg r i dt o 蠡a p e r s ct h ec o n 拄o le q u a t i o nw i t h f v m v a r i a b l e sa r es t o r e di nas t a g g e r e dg r i ds y s t e m , t h e ns o l v ee q u a t i o n sw i t h s i m p l e c a r i t h m e t i c s i m u l a t ev o r t e xp u m pi n t e r n a lf l o w 囊d d , a n a l y z et h es i m u l a t e d r e s u l t ，t h er e s u l ti sb e n e f i tt ot h e o r ya n dp r a c t i c eo f v o r t e xp u m p k e yw o r d s ：v o r t e xp u m p ，p e r f o r m a n c e ，p r e e ，p a r a m 删ed e s i g n ， k 一骞t u r b u l e n tm o d e , n u m e r i c a js i m u l a t i o n i i b ：叶片宽度，m m c 。：湍流模型常数 符号表 “。：p 点处的速度，m s w ：相对速度，m s d l ：泵进口直径，m i l l w 。：进口轴向速度，m s d 2 ：泵出口直径，m l n l ：无叶腔宽度，r a i n g ：重力加速度，m s 2 日：扬程，m k ：湍动能，m 2 s 2 k ，：p 点处的湍动能，m 2 s 2 k ：进口处的湍动能，m 2 s 2 押：转速，r m i n n ，：比转速 p 2 ：叶轮出口压力，p a o ：流量，m 3 h u ，：壁面摩擦系数 i l l 占：湍动能耗散率，m 2 s 3 占。：p 点处的湍动能耗散率，m 2 s 3 毛：进口处的湍动能耗散率，m 2 s 3 、 ：粘性系数，p a s 。：进口处的粘性系数，p a 。3 p ：密度，k g m 3 z ：叶片数 t ：叶片厚度，1 1 3 1 1 1 d 2 ：叶轮直径，l l l m r e ：雷诺数 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。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密日 学位论文作者签名：溯移 如垆年善月z ，f 日 ，聋上等 猛小 名易 签 f 教叶糊州 指矽 y 11 0 1 1 1 1 0 6 本人郑重声甓：所呈交鲢学位论文，是本入在导师的指导下， i 虫立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 m 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 藐果。对本文的研究做出重要贡献静个人和集体，均已在文中以 爨确方式标明。本人完全意识到本声明的法德结果毒本人承握。 学位论文作者签名：诊矗蟛 豳霸：夕铲年ad 霸 2 0 0 4 年3 月第1 章绪论 1 1 旋流泵概述 1 1 1 论文背景 第1 章绪论 随着工农业的发展，固液两相流的输送方法日益广泛，在固液两相流的输送 中，已有的杂质泵，如泥浆泵( s l u r r yp u m p ) ，砂泵( s a n dp u m p ) ，灰渣泵( a s h p u m p ) 、污水泵( s e w a g ep u m p ) 等己在不同的领域得到广泛的应用，但在含有 较大颗粒或长纤维的液体时，容易造成泵的堵塞，这些泵通常只能输送进口直径 的1 0 4 0 大小的固形物【2 】。 旋流泵1 9 5 4 年问世于美国西部机械公司( w e s t e r nm a c h i n ec o m p a n y ) 。图1 1 是旋流泵的简图。这种泵的主要结构特征是叶轮退缩在压水室后面的泵腔内。叶 轮旋转时在叶轮和前面的无叶腔内形成贯通流和循环流，如图l - 2 所示。贯通流 通过叶轮叶片间流道进入泵室而流出，循环流则在无叶腔内循环。由于循环流中 部是低压区，固体颗粒掉入此区在旋流的带动下流出，因此大部份固态物可不经 过叶轮而直接从无叶腔流出。基于旋流泵结构形式和流动与传统泵有很大差别， 因而旋流泵有以下特点： 1 结构简单，容易制造，运行平稳。 2 叶轮和泵体无配合间隙，不存在磨损使间隙增大造成性能下降的问题。 3 因固体颗粒大部分不通过叶轮，因而无堵塞性能良好，叶轮受磨损也相 应减轻。 4 输送的物质大部分在无叶腔的旋流带动下流出，因而无损性差，对通过 的物质破坏作用大。 5 可以输送含气体的液体。 6 由于存在循环流，造成很大的水力损失，泵的效率较低，绝大多数泵的 效率都在6 0 以下，而且当比转数速n s 1 3 0 和n s 6 0 泵的效率明显下降。1 1 1 由于旋流泵具有以上特点，因此在国民经济各部门的应用日益广泛，目前在 农村用来抽送牲畜废物、挖塘等；在工业上广泛地应用于造纸、化纤、环保、矿 山、食品与水产、建材等领域。但是由于国内外对旋流泵的研究工作开展的不够 充分，对其工作原理及其能量转换规律尚没有完全弄清楚，所以设计旋流泵的把 江苏大学硕士学位论文 握不大，至今没有提出完整而且实用的设计计算方法。所以对旋流泵的性能迸行 研究，为设计出高效率、可靠性好的的旋流泵提供理论依据，以达到节省人力、 物力和财力的目的。 3 1 本文的研究工作就是基于上述要求而展开的。 图1 - 1 旋流泵简图 1 1 2 旋流泵的研究历史与现状 图1 - 2 旋流泵的流动 1 9 5 4 年，美国w e s t e r nm a c h i n e r yc o m p a n y l , 试制了第一台污水旋流泵，1 9 5 6 年，瑞典s t e n b e r y - f l y g t 公司试制了旋流污水潜水泵，但一开始并没有引起人们的 重视，研究工作开展的较晚。第一篇由西德学者r u t s c h i 提出的旋流泵实验研究报 告【4 】是在1 9 6 8 年才发表的，之后，美、日等国的学者对旋流泵进行了各种研究。 在国内，石家庄水泵厂曾在6 0 年代中期试制过一台用于输送顺丁橡胶的旋流泵， 1 9 7 9 年蔡振成对6 j 3 5 型旋流泵进行了试验研究例。此后，国内其他学者开始了对 旋流泵的研究。但由于旋流泵的内部流动十分复杂，其研究一直是理论研究与实 验研究相结合。国内外的研究主要有以下几个方面； 1 结构参数与泵的性能 自第一台旋流泵诞生以来，在结构方面已经发展成多种形式，概括起来可以 有以下几种形式【l 】，如图1 3 所示。其中( a ) 是旋流泵的早期结构，近来已不多见； ( b ) 叶片内外有轮毂相连接，不容易被输送的砂石等打坏：( c ) 、( d ) 、( e ) 形式相差 不多，这是目前市场上比较常见的结构形式，其中( e ) 形式，结构简单，流动通畅： ( f ) 叶轮前移到无叶腔内，泵的效率有所提高，但降低了泵的通过能力和耐磨损性。 由于叶轮加工比较方便，国内外许多研究者设计了多种不同结构的叶轮进行了对 比试验，目前常见的结构形式如图l - 4 所示。叶轮叶片有直叶片、斜叶片和弯曲 叶片三种。斜叶片又分为单向倾斜和分两段双向倾斜两种。大多数研究者【4 】【“】 2 2 0 0 4 年了月第t 章一绪斧 认为，对于旋流泵采用放射形直叶片是最好的，这已经被大量实验所证实。又由 于直叶片叶轮加工制造方便，故而这种结构的叶轮应用最为广泛。 图1 - 3 旋流泵的结构形式 ooo 图1 4 常见叶轮结构形式 与离心泵相似，影响旋流泵性能的结构参数有：叶轮直径d 、叶片宽度6 、 叶片数z 、叶片进口和出口角、泵进出口直径、无叶腔宽度三以及叶轮与泵壳的 轴向间隙、吸入口形状和涡室的形状等。其中主要结构参数如图1 5 所示。最初 对泵结构性能提出实验报告的是西德学者内n s c h i 嗍和瑞士学者e 鲫- i s ，接着 l u b i e n i e c k i 9 1 ，北村，大庭【l l 】，青木【1 2 】等人也进行了大致相同的研究工作。 汪苏走学硕士擘控论文 嘲l - 5 蕊灏泵静缝搦参数 r u t s c h i 试验表明：与普通离心泵相同，叶轮是决定水泵扬程的主要参数， 焉遂出墨囊径和转遥嗣是莰定流量鹣主要参数。餐蹩，对予旋漉泵，无跨簸宽度 上怒很重要的结构参数，它与旋流裂的通过性和效率密切相关。减小工将提高效 率。卧片数及辞片露度越，j 、，扬程憋低。敖射形毫卧片效率最努。欠庭荚树撵供 的试验表明：小流蹙时，功率随三的增大而增大，服力显著减小，最高效率点向 大流量一侧移动：流量较大时，功率与三的增大无关。因诧，三的确定应兼顾旋 流裂的通过性和效率，在保证通过饿豹同肘，应尽_ 酊能地减小三。 前人的研究都表明，叶片越宽( 即无因次叶片宽度b 越丈) ，对流体傲功越 大，压力和效率也越赢。但是叶片太宽将引起振动秘嗓音，同时，性能曲线变得 比较平坦。因此旋流泵的这种特性使之不邋于排水扬程变化的场合。l u b i e n i e e k i 毽磷究了廿 轮壹径、咛片竟度对泵性熊戆影稠，缛嬲毙转速夔时轮盛经呈线性关 系变化。 大多数疆究者扶必，砖片数瑷杰拜泵性熊提褰，鼹咛冀数越过9 冀曩对饿戆影 响不大，一般取叶片数为6 1 2 片。对予旋流泵，直叶片是最好的。北村曾对 1 8 耱不强形装靛跨耱终了试验，认为图i - 4 ( c ) 瑟示鹃雏轮形浚最失瑾想，冀效率 达6 5 。 鏊奉懿磷究者夸岛逶避试验表鹾，涡室煞繇形耱直径斌增大，豢效率降低， 还攒出圈l a 中的( b ) 和( d ) 豹形式农性能上没有大嬲差别，阉时还对泵的轴恕接 力进行了测定，并说明了背叶片的影响珏l 。 吸入躁形式彝涡室形式如强l 舔和图l - 7 蹰示，对泵的性能也凑影响，嚣人 对此也作了试验分析，认为吸入口形状以图1 6 a 为最好，涡室形状则以图1 - 7 c a 为爱好。 除上述以外，人们还对叶片厚度、吸入管直径、叶轮切削工艺【4 l 等对泵性能 熬影响捧7 实验磅建。 4 2 0 0 4 年3 月第1 章绪论 图1 6 吸入口形状图1 7 涡室形状 在国内旋流泵的试验研究工作开展得比较晚，1 9 7 9 年蔡振成在水泵技术 上发表了题为涡流杂质泵的论文。他做了两个不同结构叶轮的对比试验和切 割叶轮直径的试验，得出离心泵切割定律同样适用旋流泵，切割叶轮宽度，扬程 和效率都下降，半开式叶轮比闭式叶轮具有较高的效率。随后，国内不少研究者 对泵结构参数对性能的影响都做了试验研究，并且得到和国外研究者大致相同的 结果。文献 1 7 就涡流泵主要过流部件的结构参数对扬程、流量、效率和气蚀性 能影响做了大量实验研究；文献【1 4 】研究了泵体的形状和几何尺寸参数对旋流泵 效率的影响；文献【1 5 】研究了叶轮几何尺寸对旋流泵性能的影响；文献【1 6 】研究 了过流部件的结构要素对旋流泵性能的影响；文献 1 8 】【1 9 】详细研究了泵各部分 结构和几何参数对泵性能的影响，该课题组对旋流泵研究是国内最为深入的。 2 内部流动形状与流动模型 为了探明旋流泵的工作原理和内部流动规律，许多学者对旋流泵无叶腔内的 流动进行了测试和计算，并假设了流动模型，结合测试结果对其内部流场进行数 值解析。 g r a b o w 在1 9 7 0 年发表的论文中介绍了旋流泵无叶腔中的速度和压力分布， 指出无叶腔内存在着由叶轮出口折回泵进口的回流，与回流有关的水力损失占旋 流泵能量损失的大部分，这是旋流泵效率低于普通离心泵的主要原因1 2 仉。大多数 学者的试验都得出了上述同样的结论。北村、s c h i v l e y 、大庭、青木等学者先后 用五孔或三孔球形探针测量了无叶腔的速度场和压力场，并用油膜法显示泵叶片 和后盖板表面的流迹。他们根据各自的测试结果，分别提出了各自的流动模型， 并进行了计算。 s c h i v l e y 等人首先提出了旋流泵的流动模型，如图1 - 8 所示，假定流动是稳定 且轴对称的，所有流动参数仅是半径的函数。把涡室的流动分为三个区域，即： 入流与循环流混合区( i ) 、粘性旋涡区( i i ) 、出流区( ) 。他把流入流出 叶轮的流体抽象地集中分布在流体质心的径向位置上，在此基础上进行了一元分 析。以空气为介质，用三孔眼镜蛇探针测量了内部流场的速度和压力分布，并与 计算结果作了比较。周向速度和实验结果相差较大，仅在叶轮外径处较准确。 5 江苏大学硕士学位论文 大庭英树根据自己在无叶腔内不同轴侧面上利用五孔探针对流场的详细测 试结果，提出了新的流动模型，如图1 9 所示。他将泵内流动分成四种流动a 、b 、 c 、d ，即贯通流a 、循环流c 以及a 与c 的合流b 。在涡室与叶轮的分界处存在着 流入或流出叶轮的不规则流动d 。它是对s c h i v l e y 流动模型的一种改进，但各种 系数的确定与s e h i v l e y 模型一样，还有许多值得探讨的地方。 青木正则从确定贯通流和回流在叶轮处的平均流入流出半径入手，提出了一 种流动模型，如图1 1 0 所示，并用实验方法来说明内部流动与泵性能的关系，指 出了叶轮结构参数变化而引起泵性能变化的原因。但是青木模型并没有为旋流泵 的设计提出一个恰当的方法，局限性很大。 图1 - 8s c h i v l e y 流动模型 图1 1 0 青木模型 6 图1 - 1 1 陈红勋模型 2 0 0 4 年3b第1 章绪论 国内对旋流泵内部流场的测试相对要少一些。文献 1 5 1 1 8 1 用五孔球型探针 测定了旋流泵内部流场分布和静压分布。 1 9 8 8 年封俊等人利用五孔探针、激光测速技术测定了旋流泵无叶腔内的速度 分布。对图1 - 3 ( e ) 结构的泵进行了理论计算，采用流线迭代法计算了叶轮内的流 速和静压，还建立了描述旋流泵无叶腔内部流动的二维数学模型，并用有限元方 法进行了数值求解。实验结果和理论结果基本吻合。 1 9 9 1 年陈红勋首次对旋流泵叶轮内部流速场和叶片表面压力进行测试，结合 前人对无叶腔内部流动测试结果，建立流动模型，如图1 1 l 所示，并对叶轮内的 流场进行全三维势流计算。他将泵内流动分为a 、b 、c 、d 、e 五个区域，在区 域a 内，由吸人口流人的流量q 和循环流流量混合后一起流人叶轮；区域b 为叶轮 区，液体在这个区域从叶轮获得能量；在区域c 内，从叶轮流出的液体一部分 成为循环流，另一部分流出泵外；区域d 内是以切向旋涡流为主的流动；区域e 内，存在着由工作面流向背面的流动。 3 旋流泵的设计方法 对旋流泵进行研究的目的之一就是提出它的设计计算方法，估算性能，但是 到目前为止，还没有一种较为完善的设计方法。r u t s c h i 、大庭和青木等人都提出 了各自的设计方法。r u t s c h i 是借用离心泵和旋涡泵的设计方法，再按实验进行修 正。大庭和青木的设计方法则并不完整。国内的研究者提出的设计方法也都是建 立在半理论半经验的基础上的。在文献f l o e ，蔡振成对泵体喉部断面积，0 与流 量q 和扬程h 的关系以及最优效率点的流量系数均定量地给出了计算公式。在文 献 1 8 1 1 1 9 中关醒凡等人通过回归分析，提出了性能参数和几何参数之间关系表 达式，以涡室径向尺寸彤、喉部断面积，0 和叶轮直径d 2 为旋流泵设计的三要 素，并给出了三要素计算公式。在文献 2 1 1 中郑铭、袁寿其等人总结了以涡壳无 叶腔体积与叶轮体积巧之比z ，来设计旋流泵的方法。文献【2 2 】【2 3 】中，也都 对旋流泵的设计方法进行了探讨。 4 汽蚀性能 关于汽蚀性能的研究文献还很少。r u t s c h i 首先提到了这个问题；青木做了比 较详细的研究，指出了容易产生汽蚀的四个部位。小岛的实验表明，当液体中空 气含量小于1 5 时，旋流泵还能工作；小于5 时，对泵性能几乎没有影响。国 内对此基本上没有研究报告。 7 江苏大学硕士学位论文 综上所述，前人对旋流泵的研究取得了以下几个方面的成果： ( 1 ) 弄清了旋流泵的外特性特点。 ( 2 ) 定性地了解了各结构参数对泵性能的影响，对各结构参数的确定，已 经推出一些比较可靠的经验公式。 ( 3 ) 对泵的各细部结构进行了分析和改进，使之更为合理，提高泵效率。 ( 4 ) 大量地测试了无叶腔内的流场，基本上弄清了旋流泵的工作原理和无 叶腔内的流动规律，并一致认为泵内存在两种基本流动贯通流和循环流。 ( 5 ) 建立了内部流动的流动模型和数学模型，计算了泵的内部流动和性能， 并且在一定程度上，根据实验结果提出了一定范围内适用的泵性能估算方法。1 3 j 前人的研究工作还存在以下不足： ( 1 ) 由于无叶腔内的流场测试比较容易，因此前人的试验工作大都是测试 了无叶腔内的流场，仅文献【3 】测试了叶轮内的流场。 ( 2 ) 从前的流动模型以及理论计算，均是作者根据各自的实验结果提出的， 或是实用范围窄，或是经验系数和假设较多，因此，提出的性能估算方法实用性 还不强。 ( 3 ) 关于旋流泵内部流动的计算，都是把无叶腔和叶轮各自单独讨论，没 有将无叶腔和叶轮作为一个整体计算。关于固液介质在旋流泵中的流动状态和性 能，文献中也很少见到。 1 2 本文研究的主要内容及意义 本文在全面分析旋流泵研究历史和现状的基础上，对前人的研究成果进行了 归纳和总结，从能量转换的角度分析了旋流泵几何结构参数对泵性能的影响。利 用p r o e n g i n e e r 软件的强大功能，对旋流泵叶轮进行三维造型。分析旋流泵 内部流动状况，国内外首次把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体，对其内部流动 进行了数值模拟，试图从内部流动状况的角度分析泵的各项参数对性能的影响。 本文主要研究内容如下： ， 1 全面系统地概述了前人的研究成果，并进行了归纳和总结，从能量转换 的角度分析了旋流泵几何结构参数对泵性能的影响。 2 利用p r o e n g i n e e r 软件的二次开发工具，采用基于特征的参数化设计 方法，对旋流泵叶轮进行三维造型。 8 2 0 0 4 年3 月第1 章绪论 3 介绍网格生成技术，将旋流泵内部整个流动区域进行三维实体造型，然 后实施网格划分，完成数值模拟的前处理工作。 4 对计算模型进行了详细的阐述，把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体， 对其内部三维不可压湍流场进行数值模拟，并且对计算结果进行分析研究，得出 三维速度场和压力场分布图。 随着科学技术的不断进步和经济的发展，旋流泵在国民经济各部门的应用将 会日益广泛。所以为了满足社会需要，对旋流泵做进一步的研究，对其内部流动 进行数值模拟，对提出比较完整而且实用的设计计算方法及设计出效率高、可靠 性好的旋流泵来说，具有重要的理论和实用价值。 传统的水泵设计，不论是手工方法还是计算机方法，大多是采用借二维工程 图来表示三维实体的做法。这种做法的一个主要缺点是，各个视图之间不能保证 尺寸的一致性，即在一个视图上的修改，不能对应的反映到其他视图上，不能真 正实现参数化设计。同时，这种方法生成的模型几何数据不能直接用于计算机数 控加工( c n c ) ，也不能用于对模型本身做各种物质分析( 如有限元计算) ，造成 了c a d 和c a m 脱节。现代c i m s 迫切需要直接对产品进行三维造型，即用真 实的几何数据对产品进行描述。所以在设计和生产领域中三维设计取代二维产品 设计，已成为一个必然的发展趋势，基于特征的参数化三维设计方法更是在现代 c a d 设计中广泛应用。 研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。随着计算机 技术的高度发展，人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟已成为可 能，c f d 方法将在一定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目 的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依 据。因此，c f d 方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使 设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想 和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流体 机械设计提供了一种新的途径。 9 2 0 0 4 年3 月第2 章旋流泵性能探讨及设计方法 第2 章旋流泵性能探讨及设计方法 2 1 旋流泵的工作原理 要对旋流泵的性能进行探讨，在这里首先对其工作原理做一介绍。当叶轮 旋转时，液体受离心力的作用能量增加。由于进入叶轮叶片间的液体受叶片的 推动与叶轮一起运动，因而其圆周分速度可以近似认为与叶轮的圆周速度相等， 在叶轮出口顶部附近的流体因离心力较大形成了贯通流，在叶轮中部的流体因 离心力较小形成了循环流，如图2 1 所示。贯通流为绕轴旋转的轴向旋涡，循 环流为在径向平面内旋转的纵向旋涡，如图2 2 所示。由于强烈的轴向旋涡作 用，泵吸入口形成高真空，在压力差的作用下，使液体不断进入泵腔中。液体 进入泵腔后，经循环流的能量传递，能量增加( 主要是动能) ，然后进入叶轮而 再获得能量，最后经泵腔流出，在出口就有了一定扬程。泵扬程h 由两部分组 成，即循环流传递给贯通流的能量玩和叶轮对贯通流做功，日：较日大得 多，的大小主要由贯通流出口的切向分速度决定。通过叶轮中的循环流的流 量主要由贯通流的流量和叶轮形状决定，泵腔中循环流的旋转角速度近似等于 叶轮的角速度旧。 图2 1 贯通流和循环流图2 - 2 纵向旋涡和轴向旋涡 2 2 旋流泵内部能量损失及泵的效率 泵在把机械能转化为液体能量的过程中，伴有各种损失，这些损失用相应 的效率来表示。为了提高泵的效率，必须分析泵功率的平衡情况，弄清来龙去 1 0 江苏大学硕士学位论文 脉，为减少损失提高效率指明方向。下面着重探讨旋流泵内部能量损失，由旋 流泵的工作原理可知旋流泵内部流动分为贯通流和循环流，贯通流从泵室进口 通过叶轮到出口，而循环流在泵室内产生旋涡，因而把旋流泵内部损失分为三 个部分：机械损失、循环流损失、水力损失，下面分别讨论。【1 1 【3 】【i 5 】 1 机械损失 原动机传递到泵轴上的轴功率首先要花费部分克服叶轮的圆盘摩擦损失 ( 只。) 、轴承装置的摩擦损失( p 胂：) 和密封装置的摩擦损失( 己，) 。因此，旋流 泵内总的机械损失为： 只= 只。+ 己2 + 只， ( 2 - 1 ) 旋流泵的机械效率为： = 华小睾( 2 - 2 ) 2 循环流损失 旋流泵的轴功率除去机械损失所剩余的功率，用来对通过叶轮的液体做功， 但是部分从叶轮中获得能量的液体在涡室内产生逆流，形成旋涡，其能量消耗 在逆流过程中，泵出口流量q 要比通过叶轮的流量q f 小。因此旋流泵的循环流 损失为： 气= 卢譬( 旦：只一q 日f ) = p g h ，( q q ) ( 2 - 3 ) 则循环流效率为： ：i p g q , h , - p g ( q , - q ) h , ：昙( 2 - 4 ) 1 “p g q 。h tq l 3 水力损失 除掉循环流的损失外，液体从叶轮中获得的能量也并没有完全输送出去。 有一部分能量消耗在从泵吸入口到泵排出口的过流部件水力损失上。泵内水力 损失包括，泵进出口局部损失，叶轮入口和出口冲击损失，叶轮流道摩擦损失 和扩散损失，泵体各部分摩擦损失和局部损失，因此，实际扬程日要比理论扬 程日低。 泵的水力效率为： 2 0 0 4 年3 月 苎! 主垄堕墨：堡丝墨苎：墼盐查墨 _ - _ 一一 ”p 哟g q h 矿鼍 ( 2 - 5 ) 泵的总效率为有效输出功率和输入功率( 轴功率) 之比。所以泵的总效率 为： 野= p g p q n = p g p q h 器= 盟p 詈鲁。p p q t h t q th t 即 ，7 = 叩。叩。巩 ( 2 6 ) 泵的总效率等于机械效率、循环流效率和水力效率乘积。 力学中的动量矩定理指出：质点系关于某一轴线的动量矩对时间的变化率， 等于作用在该质点上的外力矩，其表达式为： 丝：m ( 2 7 ) 廊 式中：肘作用于质点系的外力矩； 比在某一时间d t 内质点系对某一轴线动量矩的变化； 毋一动量矩变化经过的时间问隔。 为了求出旋流泵理论扬程和各损失，现把动量矩定理应用于叶轮中的液体。 如图2 3 取控制体刚，在控制体i 内，根据动量矩定理，控制体的主动量矩置对 时间的导数等于作用于控制体的所有外力对同一中心的主力矩m 即： 屯， s 、 毳 5 l 图2 - 3 叶轮流体内控制图 警= 丢肛删r 2 肚挈加露 ( 2 8 ) 江苏大学硕士学位论文 由高斯定理可得： 叫n 挈加挣西 式中： 也是控制体内流体速度圆周分量： ( 2 9 ) 是控制体内流体速度在s 表面上的法向分量； s 是控制体的表面面积，s = s l + s 2 + s 。 控制体表面面积s 是由三个部分组成，墨是叶轮进口部分，在该表面法向 速度为2 一也；s ：为叶轮出口部分表面，在该表面法向速度= 吨：墨是 叶轮内部表面，该表面上法向速度- - - - 0 。 所以式( 2 9 ) 可以变为： 肘= 肛哪一肛哪 该力矩m 在单位时间内对液体所作的功为 z 国，它应当等于单位时间内通 过叶轮液体从叶轮中接受的能量( 输入水力功率偿q 只) ，即 m = p g q 。h t t l p u ，d ，a s l l p u 。r u n d 。m = p g q t h l t l 。u 。出一l p d 。u 。d d = g q t h t 所以由此可以得到泵的理论扬程为： 皿= 面1c 肛也凼一仔鳓 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 为了分析的方便，把上式改写成圆柱坐标系的表达式为：+ 只2 壶c 仔巩一一仔也删 s ， 上式用无量纲形式表示： 2 0 0 4 年3 月第2 章旋流泵性能探讨及设计方法 = 百g r i t = 吉c 肛吨一乜一， 由实验方法可计算出实际扬程系数，当理论扬程系数”减去实际扬程系 数妒之差就可求出主流的水力系数妒，它们之问的相互关系为：a u = 一y 。 泵内的主流损失可以分为叶轮内水力损失。和涡壳内水力损失。眦，它们 之间的相互关系为：2 a + y 。 叶轮内水力损失可分为二个部分，一部分水力损失为进口冲击损失一； 另一部分水力损失为摩擦损失及叶轮内二次流损失弘：，所以叶轮内水力损 失可以表示为：5 f ，2 l + 妒。2 。 涡壳内主流的水力损失也可以分为二个部分，一部分水力损失是主流从叶 轮出口到泵出口间的水力损失。，另一部分水力损失是主流从泵进口到叶 轮进口问的水力损失缈。：，所以涡壳内主流的水力损失可以表示为： 州= 虬h l + 1 2 。 水力效率的无量纲形式： 仉：l 一坐 ( 2 1 5 ) 旋流泵机械效率的无量纲形式嗍： ；l 一生，其中“是功率系数( 无因次量) ( 2 - 1 6 ) 前面根据理论扬程求出了水力损失。而循环流的损失是由叶轮对循环流做 功引起的。假设叶轮对循环流做的功为讦0 ，该值是由叶轮进、出口问的角动 量差求得。由前面分析p 一只= 伊十只，其中己是机械损失功率，匕是循 环流损失功率。所以循环流的效率用无量纲形式表示为： 2 意，( 2 - 1 7 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 3 旋流泵结构形式和几何参数对性能的影响 关于旋流泵结构形式和几何参数对性能的影响，下面将从能量的角度逐一 予以说明。 1 旋流泵结构形式对性能的影响 旋流泵结构形式与性能的关系在第一章中已经有具体说明，这里不再叙述。 2 旋流泵叶轮结构形式对性能的影响 叶轮叶片的形式和泵的性能有一定关系，常见的结构形式见图l - 4 。旋流泵 叶片有直叶片、斜叶片和弯曲叶片三种，斜叶片的效率稍高于直叶片，双向倾 斜的效率又高于单向倾斜叶片的。另外还有两种叶片，一是单向弯曲叶片，出 口角比较大，叶片包角较小( 4 0 6 0 。) 。这种叶片的效率和直叶片大致相同， 扬程曲线度增大，但是泵的通过性能不如直叶片好。另一种叶片就是在叶片出 口侧加部分前盖板，加前盖板之后，泵的扬程、效率都有所提高。但综合考虑， 对于旋流泵采用放射形直叶片是最好的，这已经被大量实验证实。s j ， 3 叶轮出口宽度对泵性能的影响 由于固体颗粒大部分从无叶腔流过，这样通过泵固体颗粒的尺寸不受叶轮 宽度的限制试验表明叶轮出口宽度b 减小时，泵性能下降，效率下降；叶轮 出口宽度b 增加，扬程、功率曲线几乎平行上移，在b 的一定范围内，泵效率 随b 增加而提高；当b 过大时，功率曲线直线上升，引起功率超载。这可解释 为：由于加大b 后，叶轮过流断面面积增加，叶轮内相对速度减小，总的水力 损失减小，根据式( 2 1 5 ) ，水力效率玑明显提高，因此泵的扬程和效率提高。 涡流场循环流的功率损失身巴，随b 的大小变化不大，根据式( 2 - 1 7 ) ，即玎。的变 化不大，b 的变化对的影响也不大。综上所述，泵的总效率r 随b 的加大而 提高，通常b 的选用范围是6 d ，= o 2 o 2 5 ，高比转数选大值。 4 叶片数z 对泵性能的影响 z 的多少对泵性能的影响很大。随着叶片数增多，叶片对液体的作用增强， 有限叶片数情况下的流动滑移减弱。另外旋流泵叶片问流道扩散十分严重，当 不考虑滑移时，相对速度等于轴面速度，因而相对速度的扩散也十分严重。叶 片间的轴向旋涡流动极强，造成叶片间流动紊乱，产生相当大的附加水力损失。 2 0 0 4 年3 月第2 章旋流泵性能探讨及设计方法 适当增加叶片数时，流道变窄，二次回流的损失下降，同时扩散损失减小， 及叶片入口损失变化不大，矿随z 的增加而减小，根据式( 2 1 5 ) ，水力效率巩 随z 增加提高。循环流的功率损失只，随z 的多少变化很小。综上所述，旋流泵 的扬程和效率随z 的增加而提高，但z 到一定数量时，效率不再提高，反而有 所下降，这是因为叶片入口排挤系数的影响，叶片过多，排挤严重，表面摩擦 损失增加所致。旋流泵叶片通常选用8 1 2 枚。1 1 卜憎】 5 叶片出口角p ：对泵性能的影响 试验表明，压的大小对泵性能影响较大。泵的随：的加大而增加，因 为加大玖，液体流量增加，摩擦损失增加，出1 3 部位更明显，根据式( 2 一1 5 ) ， 即下降。循环流的功率损失己，随厦的加大而减小，因为见加大，通过叶轮 的流量减少，叶轮进出口部分及涡流场的回流损失减小，即叩。提高，的变 化不大，因此，泵的总效率，7 随展的加大而提高。但随厦的加大，功率曲线急 剧增加，引起功率超载，即叶片出口角的最佳范围，屈= 4 0 。6 0 。1 1 6 6 叶片厚度对泵性能的影响 旋流泵叶轮旋转，除带动叶轮叶片间的液体旋转外，还带动无叶腔内液体 旋转。由于叶片厚度在叶片和无叶腔之间形成断层，并且减弱无叶腔里液体旋 转，导致：和。增大，根据式( 2 i s ) ，即仉减小。所以减小叶片厚度， 会增加泵的扬程、流量和效率。从提高效率的角度考虑，叶片越薄越好。为了 减少叶片前缘的旋涡损失，叶片做成楔形是有益的。叶片减薄后，为了不至被 输送的固态物质打坏叶片，可采用叶片内外径带轮毅的结构。1 1 7 【1 8 】 7 叶轮外径对泵性能的影响 与普通离心泵相同，叶轮外径是影响流量、扬程的重要因素。扬程流量曲 线、功率流量曲线随外径变化而平行移动，而最高效率变化不大，这样可用同 一个泵体配用不同直径的叶轮。在叶轮切割量小于2 0 的范围内，流量、扬程、 轴功率的改变大致符合常用的离心泵叶轮切割定律。【1 7 】【1 8 】出】【2 7 】 8 泵吸入口形式和吸入口直径对泵性能的影响 旋流泵吸入1 3 有三种形式，具体形状第一章已有描述。试验表明随着吸入 1 6 江苏大学硕士学位论文 口直径增加，扬程稍有下降，最高效率点向大流量方向移动，最高效率点的数 值几乎不变。 9 泵压水室形状对泵性能的影响 采用同一叶轮在螺旋形、过渡形( 介于螺旋形和环形之间) 、环形三种压水 室内进行对比试验，可得如下结论：螺旋形压水室：流量扬程曲线降低，轴功 率大，效率低，但高效范围较宽。过渡形压水室：流量扬程曲线升高，轴功率 曲线下降，效率明显提高。环形压水室：流量扬程曲线和过渡形压水室相近， 最高效率点效率值高，高效点向小流量方向移动，但高效范围较窄；大流量区 域