（机械工程专业论文）若干特殊离心泵的设计理论及工程实现.pdf

a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hr e p o r tc o n s i s t so f t w op a r t s ，t h ef i r s tp a r ti sa b o u tt h ed e s i g nt h e o r yo fs m a l l _ f l o wh i g h h e a dp u m p sa n di t sa p p l i c a t i o n t h es e c o n di sa b o u tt h ed e s i g nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g i m p l e m e n t a t i o no fs o l i d - l i q u i dt w o p h a s ec e n t r i f u g a lp u m p s e ! s ：! ! b l t h ed e s i g nt h e o r y , h y d r a u l i ce x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o no fs m a l l - f l o wh i g h - h e a dp u m p s a r e p r e s e n t e ds y s t e m i c 6 1 l ya n dd e l i c a t e l y , a n ds o m e a c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i sa r ec a r r i e do u to n t h ef e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n so fs m a l l - f l o wh i g h h e a dp u m p s 2 t h eo p t i m u md e s i g nc a l c u l a t i o ns y s t e ms h p di se s t a b l i s h e d ，a n di t sd e s i g np r i n c i p l e s a n dd e s i g np r o c e d u r ea r ec a r r i e do u ti nd e t a i l s ，n a m e l y , f i r s t l yt od e t e r m i n ep r e l i m i n a r i l yt h em a i n p a r a m e t e r so ff l o w p a r t sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n do p t i m u md e s i g nm e t h o d ，t h e n t oi n v e s t i g a t et h ef l o w f i e l da n a l y s i so fs lr e l a t i v es t r e a ms u r f a c eo fc o m p l e xi m p e l l e rt oj u d g e w h e t h e rt h ed e s i g nr e s u l t sa r er e a s o n a b l eo rn o t ，a n dt h e nt or e v i s et h ep r e l i m i n a r yd e s i g nr e s u l t s a n dt h e nt o i n v e s t i g a t ef l o w f i e l da n a l y s i s o fs l ，a n ds oo n ，u n t i lt h ef i n a ld e s i g nr e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r y 3 t h em a i ne q u a t i o no fs lr e l a t i v es t r e a ms u r f a c eo fc o m p l e xi m p e l l e ri sd e r i v e da n di t s s o l u t i o np r e l i m i n a r i l yc a r r i e do u t ，t h i sp a yt h ew a yt of u r t h e r3 - df l o wa n a l y s i so f c o m p l e x 4 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fh i g h - s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p s f o rh a n d l i n gc r y o g e n i c l i q u i d sd e s i g n e db y s h p ds h o wt h ep r o p o s e dm e t h o di sr e a s o n a b l e 5 t h es t r u c t u r a la n dh y d r a u l i cd e s i g nm e t h o d so fe n d s u c t i o nv o r t e xp u m p sa n dh i g h s p e e d v o r t e xp u m p sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft w oe n d - s u c t i o nv o r t e xp u m p s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r er e a s o n a b l e s e c o n dp a r t t h ew e a rm e c h a n i s m ，d e s i g nm e t h o d ，h y d r a u l i ce x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ec e n t r i f u g a lp u m p sa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l sa n ds o m ea c h i e v e m e n t sa r e o b t a i n e da sf c i l l o w s ： 1 a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ho nt h em o t i o no fs o l i d si ni m p e l l e rc h a n n e l ，ac o n c l u s i o nc a l lb e a c h i e v e dt h a tw a k e - j e ts t r u c t u r ei ni m p e l l e ri st h ek e yr e a s o no ft h ew e a r n e s so f s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ec e n t r i f u g a lp u m p sf o rh a n d l i n gl i q u i dc o n t a i n i n gs m a l l - d i a m e t e rs o l i d s ，a n dt h ed e s i g n m e t h o do fs o l i d - l i q u i dt w o p h a s ec e n t r i f u g a lp u m p si sp r e s e n t e dw i t ho b j e c t i v ef u n c t i o no fw e a r - r e s i s t a n c ea n de f f i c i e n c y 2 w i t hs e l f - s e a lb yt h eh e i g h to fd e l i v e r e dl i q u i d ，t h es t r u c t u r a ld e s i g ni sc a r r i e do u to nt h e v e r t i c a ls e a l - l e s s s o l i d - l i q u i dt w o p h a s ec e n t r i f u g a lp u m p s ，w h i c he l i m i n a t e sl e a k a g e a n d u n r e l i a b i l i t yd u e t ot h ea p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a ls e a ll u b r i c a t e da n dc o o l e db yl i q u i d sa n dc a nb e u s e di nt h ec o n d i t i o no f i n t e r v a l - s u p p l y o f l i q u i d s 3t h eh y d r a u l i c e x p e r i m e n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f8 0 n l pp u m ps h o wt h a t t h e e f f i c i e n c ya n dl i f e s p a no ff l o w p a r t so f t h ei m p r o v e dp u m pa t ei n c r e a s e do b v i o u s l y , a n dt h a tt h e p r o p o s e dm e t h o d i sr e a s o n a b l e 4 t h ed e v e l o p m e n to fx n b c e n t r i f u g a lp u m pf o rh a n d l i n ge a r i h yl i q u i d sc o n t a i n i n gs o l i d w i t hm a x i m u md i a m e t e rq 6 0 m ma r e i n v e s t i g a t e d ，a n d t h em e a s u r e dr e s u l t s o n - s p o to ft h e d e v e l o p e dp u m p w h i c hi su s e di nc a n a ls h o wt h a tt h ep u m pa c h i e v ev e r ys a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h a ti t c a nb ea p p l i e dt oh a n d l es e w e dw a t e ra n dc a t h y l i q u i di nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o ni n d u s t r y k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，l o w - s p e c i f i c - s p e e d ，o p t i m u md e s i g n ，c r y o g e n i c s s o l i d - l i q u i dt w o p h a s e ，e n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n 第一部分 小流量高扬程泵的设计理论及工程应用 浙江人学博士后研究工作报告 第1 章概述 随着航空航天、炼油、化工、制药、冶金及轻工业的发展，对小流量高扬 程泵的需求量越来越大。如一套烷基苯装置需要4 0 台，一套城市煤气装置需要 5 4 台，一套炼油加氢装置需要3 0 台，一套2 5 万吨年碳五装置需要3 1 台，一 套4 万吨年聚丙烯装置需要1 2 台。目前用于小流量高扬程介质输送的泵主要 有小流量离心泵、旋涡泵、多级离心泵打回流、高速离心泵、往复泵以及无泄 漏泵等。本部分首先阐述这些泵的特点，并对它们的具体应用场合进行分析研 究，然后在分析离一i i , 泵优化设计的基础上提出超低比转速高速离心泵的优化设 计方法和思路。 1 1 小流量高扬程泵的特点与应用 1 1 1 小流量离心泵 小流量离一t l , 泵是最近几年才研制出来的新型泵类产品，它的工作转速为电 机的同步转速2 9 0 0 r m i n ，其叶轮形式主要有开式叶轮和复合叶轮两种”。对 小流量低比转速离心泵而言，其效率不高的一个主要原因是叶轮轮盘摩擦消耗 功在所有损失中占据很大的比例，因此要提高小流量离心泵的效率，就必须保 证叶轮外径不能过大。对具有扬程系数为0 7 左右的全开式叶轮，要达到1 0 0 m 的单级扬程，叶轮外径大约在2 5 5 m m 左右。如果是复合叶轮的结构形式，要达 到1 0 0 m 的扬程，采用两级叶轮设计是比较理想的，此时叶轮外径约为1 9 0 m m 。 根据上面的分析，这种小流量离心泵的最适合应用的场合是用于输送扬程 1 0 0 m 以下的小流量介质。 1 1 2 旋涡泵 根据液体进口管线布置的不同，旋涡泵主要分成径向进口和轴向进口两种 结构形式。前者在安装时必须配置进出口弯管，这样给现场的管路安装和工艺 流程带来一定的不便，而后者在泵内设计了导流块，实现了介质轴向进入径向 出口，非常便于现场的工艺和管线布置，因此是较有应用前景的结构形式”1 。 旋涡泵运行时必须保证叶轮与壳体之间的单边轴向间隙6 0 1 5 m m ，以及 半径方向的径向间隙a p 。 o 3 m m ，同时由于叶轮安装形式是不固定的，即可以 在轴向方向移动，因此旋涡泵在起动和停车时，就不可避免造成叶轮与壳体之 间的轴向摩擦，因此旋涡泵的工作寿命比离，1 1 , 泵要短得多。而且叶轮外径不能 过大，根据笔者的设计实践，旋涡泵的叶轮外径最好不要大于1 7 5 m m 时，也即 单级旋涡泵要求达到的扬程不能大于2 0 0 m ，否则就会使泵的可靠性变差。 由于旋涡泵叶轮叶片数很多( 6 0 8 0 片) ，而且进口直径较大，因此旋涡泵 的汽蚀性能就要比离心泵差很多，同时由于扬程流量特性线很陡，造成其工作 范围很狭窄。 根据上面的分析，旋涡泵适用于工作扬程在2 0 0 m 以下、工况条件比较稳 定、起动不是很频繁的工况，且只适用于输送不含固体微颗粒的且对汽蚀性能 浙江人学博士后研究工作报告 第1 章概述 随着航空航天、炼油、化工、制药、冶金及轻工业的发展，对小流量高扬 程泵的需求量越来越大。如一套烷基苯装置需要4 0 台，一套城市煤气装置需要 5 4 台，一套炼油加氢装置需要3 0 台，一套2 5 万吨年碳五装置需要3 1 台，一 套4 万吨年聚丙烯装置需要1 2 台。目前用于小流量高扬程介质输送的泵主要 有小流量离心泵、旋涡泵、多级离心泵打回流、高速离心泵、往复泵以及无泄 漏泵等。本部分首先阐述这些泵的特点，并对它们的具体应用场合进行分析研 究，然后在分析离一i i , 泵优化设计的基础上提出超低比转速高速离心泵的优化设 计方法和思路。 1 1 小流量高扬程泵的特点与应用 1 1 1 小流量离心泵 小流量离一t l , 泵是最近几年才研制出来的新型泵类产品，它的工作转速为电 机的同步转速2 9 0 0 r m i n ，其叶轮形式主要有开式叶轮和复合叶轮两种”。对 小流量低比转速离心泵而言，其效率不高的一个主要原因是叶轮轮盘摩擦消耗 功在所有损失中占据很大的比例，因此要提高小流量离心泵的效率，就必须保 证叶轮外径不能过大。对具有扬程系数为0 7 左右的全开式叶轮，要达到1 0 0 m 的单级扬程，叶轮外径大约在2 5 5 m m 左右。如果是复合叶轮的结构形式，要达 到1 0 0 m 的扬程，采用两级叶轮设计是比较理想的，此时叶轮外径约为1 9 0 m m 。 根据上面的分析，这种小流量离心泵的最适合应用的场合是用于输送扬程 1 0 0 m 以下的小流量介质。 1 1 2 旋涡泵 根据液体进口管线布置的不同，旋涡泵主要分成径向进口和轴向进口两种 结构形式。前者在安装时必须配置进出口弯管，这样给现场的管路安装和工艺 流程带来一定的不便，而后者在泵内设计了导流块，实现了介质轴向进入径向 出口，非常便于现场的工艺和管线布置，因此是较有应用前景的结构形式”1 。 旋涡泵运行时必须保证叶轮与壳体之间的单边轴向间隙6 0 1 5 m m ，以及 半径方向的径向间隙a p 。 o 3 m m ，同时由于叶轮安装形式是不固定的，即可以 在轴向方向移动，因此旋涡泵在起动和停车时，就不可避免造成叶轮与壳体之 间的轴向摩擦，因此旋涡泵的工作寿命比离，1 1 , 泵要短得多。而且叶轮外径不能 过大，根据笔者的设计实践，旋涡泵的叶轮外径最好不要大于1 7 5 m m 时，也即 单级旋涡泵要求达到的扬程不能大于2 0 0 m ，否则就会使泵的可靠性变差。 由于旋涡泵叶轮叶片数很多( 6 0 8 0 片) ，而且进口直径较大，因此旋涡泵 的汽蚀性能就要比离心泵差很多，同时由于扬程流量特性线很陡，造成其工作 范围很狭窄。 根据上面的分析，旋涡泵适用于工作扬程在2 0 0 m 以下、工况条件比较稳 定、起动不是很频繁的工况，且只适用于输送不含固体微颗粒的且对汽蚀性能 浙江大学博士后研究工作报告 要求不高的干净清纯的液态介质。 若要求用于输送扬程大于2 0 0 m 且对汽蚀性能有一定要求的干净介质，则 可以选用高速旋涡泵。高速旋涡泵是目前在研的浙江省重点科技计划项目，采 用齿轮增速的高速旋涡泵叶轮结构，具有比高速离心泵更高的扬程系数，即可 以产生比同样叶轮直径的高速离，t 5 泵更高的扬程，同时由于采用在旋涡叶轮前 设计变螺距诱导轮和长中短叶片相问复合叶轮的组合结构，又具有很理想的汽 蚀性能，完全克服了旋涡泵汽蚀性能差和单级扬程不宜大于2 0 0 m 的缺点。 由于旋涡泵的扬程条随流量增加而下降较快，且扬程系数比离心泵要高得 很多，与容易产生正斜率上升段的离一1 1 , 泵特性曲线相叠加，所得到得高速旋涡 泵得特性曲线不会存在正斜率上升段，这样高速旋涡泵就根本不存在小流量不 稳定性。 1 1 3 多级离心泵打回流 至今为止，多级离心泵打回流仍然是实现小流量高扬程介质输送的主要办 法之一。但笔者认为，多级离- t l , 泵打回流只适合于输送很普通的介质( 如清水 等) ，而不适合于输送流程工业中的决大部分介质，原因有下： 1 ) 多级离一1 1 , 泵打回流，等于大马拉小车，浪费能源，不经济。 2 ) 工作可靠性差。每一级叶轮组装时都得保证其与叶轮环及壳体之间的径 向和轴向间隙符合要求，这给泵的维修和组装带来很大的麻烦。同时由于叶轮 级数多，使得两轴承之间的跨距很长，从而更容易造成泵在运行中产生很大的 振动和噪音。 3 ) 性能差。设计最好的多级离心泵，其汽蚀比转速为1 8 0 0 2 0 0 0 左右，因 此该泵不能适用于输送具有较高汽蚀性能的介质，除非在泵前有增压措施。同 时由于叶轮级数多，不可避免造成叶轮之间的泄漏损失增加，从而降低了效率。 以上三个主要原因注定了多级离心泵必将被性能更优越、工作可靠性更高 的的高速离心泵所代替。 1 1 4 高速离心泵 高速离心泵由于具有单级扬程高、结构紧凑、维护方便、可靠性好及适用 范围广等优点而受到国内外泵设计研究者的关注，在国外已普遍地应用于炼油、 石化及冶金等工业领域。高速离心泵首先是在液体火箭发动机涡轮泵的基础上 发展起来的”1 。 目前已得到普遍应用的高速离一1 1 , 泵主要有卧式和立式两种结构形式。由于 立式高速离心泵的电机置于泵的上部，每次装修都得首先移去电机，因此给维 修带来了一定的麻烦。因此笔者认为对于电机功率在7 5 k w 以下，可以采用立式 高速离心泵，而当匹配电机功率大于7 5 k w 时，最好不要采用立式高速离心泵， 而应该采用维护更方便的卧式高速离心泵。 高速离一t 5 泵的叶轮形式主要有开式叶轮和复合叶轮两种。目前我国进口最 多的在线运行的只本s u n d y n e 公司的立式高速离1 1 , 泵采用的就是全开式叶轮，虽 然能够适合于小流量( q 一 6 m 3 h ) 的超低比转速高扬程介质的输送，但其效率较 浙江夫学博士后研究工作撤告 低，只有2 0 左右，因此造成能耗很大。复合叶轮e h 于其出口具有较多的叶片 数，可有效消除了尾流射流结构强度及可能导致的流动分离，并能够提高扬程 系数和水力效率，因此保证了泵在小流量工况区运行时具有良好的稳定性，且 具有较高的效率。 因此，在用于输送小流量高扬程介质时，复合叶轮高速离心泵具有比开式 叶轮高速离心泵明显的节能功效，虽然复合叶轮的制造成本比开式叶轮要高得 多。 由于采用了诱导轮技术使得高速离心泵具有比多级离心泵更高的汽蚀性 能，最高的汽蚀比转速可以达到5 0 0 0 以上，因此高速离心泵取代多级离心泵已 成为离心泵发展的一个重要趋势。目前流程工业用的高速离心泵的转速为 ”= 4 5 0 0 、3 0 0 0 0 r m i n ，单级扬程= 8 0 1 6 0 0 m 之间，流量q 2 m 3 h 。因此在参数 合适的条件下，应首先考虑选用高速离心泵。 1 1 5 往复泵 往复泵在输送小流量高扬程介质方面还是具有一定的优势的，即流量可以 更小，扬程更高。目前用于输送小流量高扬程介质的往复泵主要有柱塞泵和隔 膜计量泵两种，后者还具有计量的功能。往复泵存在下面两个不可避免的缺点： 1 ) 可靠性较差，维修频繁。由于柱塞在来回往复运动，容易造成填料及骨 架密封漏油漏水，从而导致泵不能正常运行。 2 ) 振动大，噪音高，流量不稳定。由于柱塞在来回往复运动，就不可避免 会产生振动，并伴有噪音。更为严重的是，由于其出口流量不均匀，会对后继 的化学反应和生产过程质量产生不良的影响。 因此，往复泵在使用时最好在出口设置缓冲罐，使出口流量变得均匀，同 时也应在进出口管线上加防振措施。虽然往复泵存在上面致命的缺点，但是在 用于输送小流量高扬程介质时的效率要比离心泵高，不过其频繁维修所造成的 费用和麻烦大大超过补离心泵效率不高所引起的电力消耗。因此，在高速离心 泵能够使用的场合，应尽可能避免使用往复泵。对一些具有特殊要求的介质， 如液氨、液态烃以及液氧等，往复泵就根本不能使用，关键问题是其密封不能 解决。在流量q 2 3m 3 h ，扬程h 1 0 0 0 m 的工况下，最好选用高速离心泵。 而在流量q 一 2 - 3m 3 h 、扬程j v 1 0 0 0 m 的工况下，以及流量q 1 o m 3 h 、扬程 h = 5 0 - 2 0 0 0 m 的工况下，且所输送的介质不是很特殊或需要计量的情况下，选用 往复泵是比较合适的。 1 1 6 无泄漏泵 无泄漏泵主要指磁力传动泵和屏蔽泵，这两种泵的最大优点是它们能够无 泄漏地运行，最适合用于输送绝对要求不泄漏的有毒、易燃和易爆介质，如甲 醇、液氧和氰化物等介质。目前国外磁力泵的最大功率已经达到了3 5 0 k w 以上， 介质使用温度在1 2 0 - - 4 7 5 ，德国k s b 公司也已经研制出功率为2 0 0 0 k w 的屏蔽 泵”“。但是屏蔽泵和磁力泵也存在一些缺点： 浙江大学博士后研究工作报告 1 1 屏蔽泵和磁力泵都采用介质自润滑的滑动轴承，因此不大适合于输送润 滑性能较差的介质，如液态烃等 2 ) 屏蔽泵和磁力泵的泵内能量消耗基本上转化为热量形式，从而导致出口 温度比进口温度高，因此必须进行冷却，否则就会造成滑动轴承的破坏从而导 致泵不能正常运行。 3 1 磁力泵的磁力传动器存在涡流和退磁现象，需要经常更换磁钢，而且效 率比离心泵要低得多，从而使工作寿命比较短。 由于人类对环境保护意识的日益重视，今后无泄漏泵将在很大程度上取代 相同性能的机械密封泵。其发展前景是十分可观的。在参数合适的情况下，将 无泄漏泵设计成高速离心泵的结构形式，必将成为离心泵发展的一个重要趋势。 1 1 7 综合比较和具体应用 根据上面的分析，现把这些泵的具体应用场合列于表l l 中。 表1 - 1 小流量高扬程泵的性能参数与应用范围 流量扬程汽蚀余量转速n 名称密封形式适用介质 q ( m 3 1 1 )h ( m )n p s h ( m )( r r a i n ) 小流量离心泵 05 81 0 1 0 02 02 9 0 0机械密封 各种液态介质 不含固体颗粒的纯 旋涡泵 0 2 62 0 02 52 9 0 0 机械密封 净介质 不含固体颗粒的纯 高速旋涡泵 02 1 02 0 乱1 6 0 0204 5 0 0机械密封 净介质 多级离心泵打回流 4 - 1 21 0 0l6 302 9 0 0 机械密封各种介质 高速离心泵 2 2 08 0 - - 1 6 0 00 4 - 254 5 0 0 机械密封各种介质 3 1 0 0 0各种介质特别是 往复泵1 4 5 0填料密封 l1 0 0 - 1 0 0 0 需要计量的介质 要求绝对无泄漏的 无泄漏泵 21 02 9 0 0无密封 介质 1 2 离心泵的优化设计 随着计算机技术的发展和计算机的普及，对泵的水力设计、结构设计等进 行优化已经成为现实可行、令人感兴趣的方案。泵的优化设计是根据设计要求 ( 流量、扬程和汽蚀余量等) ，按照某种优化原则和优化方法，选择和确定叶轮 及泵体等过流部件的几何参数和结构形式，使所设计出来的泵的外特性能满足 最初给定的要求。泵的优化设计是实现泵获得良好性能的主要方法之一。 设计计算系统所基于的思想也必然是一个整体、综合的优化思想，即多目 标、多变量、有约束的优化设计。根据优化设计的对象、优化的原则和手段的 不同，可以将优化设计分为试验优化设计、速度系数优化设计、损失极值法优 化设计、准则筛选法优化设计和完全优化设计。 1 2 1 试验优化设计 浙江大学博士后研究工作报告 1 1 屏蔽泵和磁力泵都采用介质自润滑的滑动轴承，因此不大适合于输送润 滑性能较差的介质，如液态烃等 2 ) 屏蔽泵和磁力泵的泵内能量消耗基本上转化为热量形式，从而导致出口 温度比进口温度高，因此必须进行冷却，否则就会造成滑动轴承的破坏从而导 致泵不能正常运行。 3 1 磁力泵的磁力传动器存在涡流和退磁现象，需要经常更换磁钢，而且效 率比离心泵要低得多，从而使工作寿命比较短。 由于人类对环境保护意识的日益重视，今后无泄漏泵将在很大程度上取代 相同性能的机械密封泵。其发展前景是十分可观的。在参数合适的情况下，将 无泄漏泵设计成高速离心泵的结构形式，必将成为离心泵发展的一个重要趋势。 1 1 7 综合比较和具体应用 根据上面的分析，现把这些泵的具体应用场合列于表l l 中。 表1 - 1 小流量高扬程泵的性能参数与应用范围 流量扬程汽蚀余量转速n 名称密封形式适用介质 q ( m 3 1 1 )h ( m )n p s h ( m )( r r a i n ) 小流量离心泵 05 81 0 1 0 02 02 9 0 0机械密封 各种液态介质 不含固体颗粒的纯 旋涡泵 0 2 62 0 02 52 9 0 0 机械密封 净介质 不含固体颗粒的纯 高速旋涡泵 02 1 02 0 乱1 6 0 0204 5 0 0机械密封 净介质 多级离心泵打回流 4 - 1 21 0 0l6 302 9 0 0 机械密封各种介质 高速离心泵 2 2 08 0 - - 1 6 0 00 4 - 254 5 0 0 机械密封各种介质 3 1 0 0 0各种介质特别是 往复泵1 4 5 0填料密封 l1 0 0 - 1 0 0 0 需要计量的介质 要求绝对无泄漏的 无泄漏泵 21 02 9 0 0无密封 介质 1 2 离心泵的优化设计 随着计算机技术的发展和计算机的普及，对泵的水力设计、结构设计等进 行优化已经成为现实可行、令人感兴趣的方案。泵的优化设计是根据设计要求 ( 流量、扬程和汽蚀余量等) ，按照某种优化原则和优化方法，选择和确定叶轮 及泵体等过流部件的几何参数和结构形式，使所设计出来的泵的外特性能满足 最初给定的要求。泵的优化设计是实现泵获得良好性能的主要方法之一。 设计计算系统所基于的思想也必然是一个整体、综合的优化思想，即多目 标、多变量、有约束的优化设计。根据优化设计的对象、优化的原则和手段的 不同，可以将优化设计分为试验优化设计、速度系数优化设计、损失极值法优 化设计、准则筛选法优化设计和完全优化设计。 1 2 1 试验优化设计 浙江人学博士后研究t 作报告 泵的水力试验是研究泵主要几何参数对泵性能的影响，由于泵内的流动机 理和内部流场并未完全研究透彻，试验仍然在泵的研究中占有一席之地，设计 一台泵所使用的经验公式和系数图表也都是从模型泵中统计出来的，试验的优 化设计就是研究如何科学地减少和避免重复试验和无效试验。就目前来说，试 验优化设计仍是优化设计的先导。 1 2 2 速度系数优化设计 如何利用优秀的水力模型，统计出各种速度系数以用于设计计算就是速度 系数优化设计研究的内容9 1 。实际上，对速度系数的选择和约束就是一个优化 过程。通过分析研究和统计模型泵，建立其设计离心泵叶轮和泵体的主要几何 参数的系数图表和公式，并及时更新和优化这些系数，以丰富离心泵的设计。 1 2 3 损失极值法优化设计 损失极值法优化设计的思路是建立各种能量损失与泵的几何参数之间的关 系，通过这些参数的不同组合，满足在设计工况下损失最小，此时效率也就最 高“。这种优化设计是以效率为优化目标，以泵的主要几何结构和尺寸作为参 变量，根据预估模型和设计实践经验完成优化过程9 “。 1 2 4 准则筛选法优化设计 准则筛选法优化设计是一种反正反的优化算法”1 ：反问题的计算是根据设 计要求设计出相应的叶轮等过流部件的几何形状与尺寸参数；正问题的计算是 按一定的准则校核反问题计算中采用的流动假设，进而修改叶轮等过流部件的 几何形状与尺寸参数。可见，准则筛选法优化设计就是在分析离心泵内流机理 的基础上，以各种减少损失和控制性能指标为目标函数，从各种结构参数和流 道形状的不同组合中筛选出最佳方案。 1 2 5 完全优化设计 应该准确地说，完全优化设计应该是一种思想的体现，是一个不断完善和 发展的过程，借助各种经验或理论或半经验半理论公式，准确或模糊地进行结 构设计和几何参数的选择，最后通过综合性能的考察来决定设计结果的接受与 否，可以根据不同设计者的不同设计要求决定具体的设计结果。“。其优点就是 优化设计的适应性和交互性更强，并且随着设计理论和流动机理研究的发展而 发展。 在文献3 的博士论文中，作者曾提出了基于极值损失法的超低比转速高速 离心泵的设计方法。由于没有对诱导轮、复合叶轮和蜗壳等过流部件进行流场 分析，因此也就无法优化诱导轮叶片、复合叶轮叶片等几何形状，只好根据设 计者的设计经验来确定，这样在设计过程中还存在一定的任意性。 为避免这种任意性，在作者以前对超低比转速高速复合叶轮离心泵所进行 的研究工作的基础上，提出了基于完全优化设计的s h p d 设计计算系统。即在 6 浙江人学博士后研究工作报告 原有的优化设计基础上，增加对复合叶轮的流动分析来优化叶片等几何形状， 借助w i n d o w s 和v i s u a lc + + 平台进行系统开发，使得整个设计过程全部由计算 机来实现。 1 3 小结 1 阐述了可用于输送小流量高扬程介质输送的小流量离心泵、旋涡泵、多 级离心泵打回流、高速离心泵、往复泵和无泄漏泵的特点，分析了它们的具体 合适应用场合，可供工艺设计选型时参考。 2 综合分析离心泵各种优化设计方法的特点，提出了超低比转速高速离，t l , 泵的优化设计方法和思路。 浙江人学博士后研究工作报告 原有的优化设计基础上，增加对复合叶轮的流动分析来优化叶片等几何形状， 借助w i n d o w s 和v i s u a lc + + 平台进行系统开发，使得整个设计过程全部由计算 机来实现。 1 3 小结 1 阐述了可用于输送小流量高扬程介质输送的小流量离心泵、旋涡泵、多 级离心泵打回流、高速离心泵、往复泵和无泄漏泵的特点，分析了它们的具体 合适应用场合，可供工艺设计选型时参考。 2 综合分析离心泵各种优化设计方法的特点，提出了超低比转速高速离，t l , 泵的优化设计方法和思路。 浙江大学博士后研究工作报告 2 1 概述 第2 章超低比转速高速复合叶轮离心泵 优化设计计算系统 所提出超低比转速高速复合叶轮离心泵优化设计计算系统( 下称s h p d 系 统) 以二元流动理论和经验公式作为初步设计基础，以优化设计方法为计算求 解手段，通过对泵内能量损失进行计算，预测出泵的全流量性能曲线作为判断 和校对初步设计是否满足要求，并根据复合叶轮流场分析的结果对初步设计中 确定的结构参数进行修正，直到计算结果令人满意为止。优化设计的目标函数 可以根据设计者的具体设计要求而定，如以效率、小流量工作稳定性和汽蚀性 能等性能指标作为目标函数。由于采用面向对象技术，使得在反问题的设计过 程中所用的设计方法是可以选择和变化的。s h p d 系统的设计过程如下图2 1 所示。 图2 - 1s h p d 设计系统总体思路 s h p d 设计系统是从优化水力设计、流动分析、结构强度和可靠性等方面 着手，为减少设计和研制周期服务的，所设计的超低比转速高速离心泵应遵循 如下几个要求：( 1 ) 满足给定的设计要求( 如流量、扬程等) ；( 2 ) 较高的效率， 即在一定的工作范围内，泵具有较小的能量损失；( 3 ) 小流量工作稳定性，即泵 的扬程流量特性曲线不存在正斜率上升段，从而可以保证泵小流量工况下也可 以稳定地工作、出口管路振动小、噪音低；( 4 ) 具有优越的汽蚀性能，即在运行 范围内不会产生汽蚀破坏：( 5 ) 可靠性好，特别是通过合理的结构设计保证泵在 运行过程中具有良好的密封性能；( 6 ) 简单的制造工艺、低廉的制造和维护成本。 由于采用了v i s u a l c + + 作为开发平台，s h p d 系统所有命令都可以简化为图标， 显示在工具栏中，通过鼠标就可以操作，方便简洁。设计计算系统的功能示意 图如图2 - 2 所示。为了配合设计计算系统，需要一些辅助子系统，如文件管理 子系统、界面管理子系统和帮助子系统，以实现文档的打开、存储，工具条的 管理，以及构建系统的帮助等功能。 浙江大学博士后研究工作报告 2 1 概述 第2 章超低比转速高速复合叶轮离心泵 优化设计计算系统 所提出超低比转速高速复合叶轮离心泵优化设计计算系统( 下称s h p d 系 统) 以二元流动理论和经验公式作为初步设计基础，以优化设计方法为计算求 解手段，通过对泵内能量损失进行计算，预测出泵的全流量性能曲线作为判断 和校对初步设计是否满足要求，并根据复合叶轮流场分析的结果对初步设计中 确定的结构参数进行修正，直到计算结果令人满意为止。优化设计的目标函数 可以根据设计者的具体设计要求而定，如以效率、小流量工作稳定性和汽蚀性 能等性能指标作为目标函数。由于采用面向对象技术，使得在反问题的设计过 程中所用的设计方法是可以选择和变化的。s h p d 系统的设计过程如下图2 1 所示。 图2 - 1s h p d 设计系统总体思路 s h p d 设计系统是从优化水力设计、流动分析、结构强度和可靠性等方面 着手，为减少设计和研制周期服务的，所设计的超低比转速高速离心泵应遵循 如下几个要求：( 1 ) 满足给定的设计要求( 如流量、扬程等) ；( 2 ) 较高的效率， 即在一定的工作范围内，泵具有较小的能量损失；( 3 ) 小流量工作稳定性，即泵 的扬程流量特性曲线不存在正斜率上升段，从而可以保证泵小流量工况下也可 以稳定地工作、出口管路振动小、噪音低；( 4 ) 具有优越的汽蚀性能，即在运行 范围内不会产生汽蚀破坏：( 5 ) 可靠性好，特别是通过合理的结构设计保证泵在 运行过程中具有良好的密封性能；( 6 ) 简单的制造工艺、低廉的制造和维护成本。 由于采用了v i s u a l c + + 作为开发平台，s h p d 系统所有命令都可以简化为图标， 显示在工具栏中，通过鼠标就可以操作，方便简洁。设计计算系统的功能示意 图如图2 - 2 所示。为了配合设计计算系统，需要一些辅助子系统，如文件管理 子系统、界面管理子系统和帮助子系统，以实现文档的打开、存储，工具条的 管理，以及构建系统的帮助等功能。 浙江大学博士后研究工作报告 辅助部件设计部分将包括( 1 ) 叶轮和平衡盘的强度计算，主轴系的受力分 析、强度校核，i 临界转速的计算和轴承的选择；( 2 ) 增速箱的设计( 增速齿轮 的设计和校核) ；( 3 ) 润滑系统流程图的设计( 线路的选择) 。这一部分有待进 一步完成。性能预测部分主要完成扬程流量曲线和效率一流量曲线等的预测计 算和图形显示，并能够动态捕捉一定流量下的扬程和效率值，也可以将性能预 测曲线图打印输出。 ，界面管理 子系统 文件管理 子系统 设计计算系统 性能预测 子系统 流场分析 子系统 图2 - 2 设计计算系统总体功能图 帮助 子系统 g * l e e 设计 子系统 2 2 设计系统的软件开发方法 系统是由若干具有独立功能的元素组成的，这些元素之间存在着或紧或松 的联系，通过这种联系来达到某种目的。系统和工程的结合便成了系统工程， 这既要求运用系统的观点和方法解决工程问题，又要求遵循工程原则去改造系 统。超低比转数离心泵设计计算系统就是将输入的信息( 设计要求) ，经过进行 计算等信息处理后，产生输出信息( 设计结果、性能曲线等) 的系统”“。通过 系统分析和设计构造系统模型，加之按照工程设计原理进行设计计算，最终完 成整个设计系统的创建和投入使用。系统分析是分析外部环境和内部系统之间 的相互作用关系，判断系统创建的可行性和提供其实现的初步方案，在此基础 上的系统设计就是借助系统思想和工程知识、技术和经验，设计出详细方案， 并通过综合评价的反馈去修改和删减不合理或不必要的要求，使设计能正常和 合理地进行下去，并实现优化设计。 软件系统的分析和设计方法有诸多种，其中结构化分析和设计方法与面向 对象分析和设计方法是两种主要的软件开发方法，是出于对系统中组成元素的 不同认识而划分的。前者以计算机的角度去考虑系统的组成，将系统由各种不 同的过程按一定次序组成；后者模拟人类分类和理解世界的方式去构建系统， 对象是系统的基本组成元素，数据和相关的操作隶属于某一对象，由各种不同 的对象组成系统，这种系统模型能实现系统和用户的更好通信。 传统的软件开发设计方法是一种结构化的方法，即自顶而下的功能分解方 9 浙江大学博士后研究工作报告 辅助部件设计部分将包括( 1 ) 叶轮和平衡盘的强度计算，主轴系的受力分 析、强度校核，i 临界转速的计算和轴承的选择；( 2 ) 增速箱的设计( 增速齿轮 的设计和校核) ；( 3 ) 润滑系统流程图的设计( 线路的选择) 。这一部分有待进 一步完成。性能预测部分主要完成扬程流量曲线和效率一流量曲线等的预测计 算和图形显示，并能够动态捕捉一定流量下的扬程和效率值，也可以将性能预 测曲线图打印输出。 ，界面管理 子系统 文件管理 子系统 设计计算系统 性能预测 子系统 流场分析 子系统 图2 - 2 设计计算系统总体功能图 帮助 子系统 g * l e e 设计 子系统 2 2 设计系统的软件开发方法 系统是由若干具有独立功能的元素组成的，这些元素之间存在着或紧或松 的联系，通过这种联系来达到某种目的。系统和工程的结合便成了系统工程， 这既要求运用系统的观点和方法解决工程问题，又要求遵循工程原则去改造系 统。超低比转数离心泵设计计算系统就是将输入的信息( 设计要求) ，经过进行 计算等信息处理后，产生输出信息( 设计结果、性能曲线等) 的系统”“。通过 系统分析和设计构造系统模型，加之按照工程设计原理进行设计计算，最终完 成整个设计系统的创建和投入使用。系统分析是分析外部环境和内部系统之间 的相互作用关系，判断系统创建的可行性和提供其实现的初步方案，在此基础 上的系统设计就是借助系统思想和工程知识、技术和经验，设计出详细方案， 并通过综合评价的反馈去修改和删减不合理或不必要的要求，使设计能正常和 合理地进行下去，并实现优化设计。 软件系统的分析和设计方法有诸多种，其中结构化分析和设计方法与面向 对象分析和设计方法是两种主要的软件开发方法，是出于对系统中组成元素的 不同认识而划分的。前者以计算机的角度去考虑系统的组成，将系统由各种不 同的过程按一定次序组成；后者模拟人类分类和理解世界的方式去构建系统， 对象是系统的基本组成元素，数据和相关的操作隶属于某一对象，由各种不同 的对象组成系统，这种系统模型能实现系统和用户的更好通信。 传统的软件开发设计方法是一种结构化的方法，即自顶而下的功能分解方 9 浙江大学博士后研究工作报告 法，即所谓的瀑布模型：从分析、设计，到编程、测试，直至维护，