（机械电子工程专业论文）旋流泵的数字化设计及性能分析.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 旋流泵是杂质泵的一种。它的优点是结构简单、耐磨性无堵塞性能好，适用于输送 污水和带有纤维和较大颗粒的混合液等。随着经济的发展，具有独特性能和结构的旋流 泵也被广泛应用于化工、造纸、矿山、水产等工业领域。 在研究旋流泵过程中出现的主要问题是产品设计开发周期长，效率低和叶轮磨损严 重，所以缩短产品开发周期，提高工作效率和减小叶轮磨损是目前急需解决的问题。因 此，针对旋流泵设计所面临的主要问题，进行旋流泵c a d 系统开发、旋流泵c f d 数值 模拟和旋流泵叶轮结构分析具有重大的理论意义和实用价值。本论文的主要研究成果有 一下几点： ( 1 ) 基于旋流泵的三要素设计方法和速度系数法的基本理论，针对参数化设计的 需要，实现了旋流泵的水力设计。 ( 2 ) 基于缩短旋流泵开发周期的需求，应用s o l i d w o 如软件和a 工具，建立 了旋流泵主要过流部件的c a d 系统。首先按照特征建模的方法应用s o l i d w o r l l 【s 软件建 立旋流泵叶轮及蜗壳的模型，然后应用二次开发工具v b a ，采用基于尺寸驱动的参数 化方法，得到叶轮与蜗壳的参数化模型。 ( 3 ) 针对旋流泵效率低和叶轮磨损严重等问题，应用f l u e n t 软件来模拟分析 不同结构参数的旋流泵的内部流场，得到不同结构参数的旋流泵内部流场的压力和速度 的分布规律，得到结构参数对旋流泵性能的影响，为提高旋流泵工作效率和旋流泵优化 设计提供指导。 ( 4 ) 基于a n s y s 的协同仿真环境a n s y sw o r k b e n c h 平台，应用“流一固”耦合 分析理论，完成了叶轮的结构强度分析，解决了叶轮局部严重磨损的问题。叶轮的强度 分析结果为叶轮的结构优化设计提供参考。 关键词：旋流泵；数字化设计；数值模拟；结构分析 旋流泵的数字化设计及性能分析 a bs t r a c t t h ev o r t e xp u i n pi sal ( i 1 1 do fi l i l p u r i t yp l u n p i th a st h ea d v a n t a g e so fs i i l l p l es 虮j c t u r e ， 9 0 0 dp e r f o 加柏c eo f w e a r r e s i s t a l l c e 锄dn o n j 锄h so r e nm a d et 0t r a n s p o r tt l l es e w a g ea l l d m i ) 【e dl i q u i dw l l i c hc o n t a i l l s1 a r g e 伊a i l l 锄ds u s p e n d i n g 丘b e r w i mm ed e v e l 叩m e n to f e c o n o m y ，也ev o r t e xp 啪p sw l l i c hh a su n i q u em n c t i o na l l d 蛐r l l c t u r ea r ew i d e l yu s e di l lt l l e f i e l d so fi 1 1 d u s 订ys u c ha sc h 喇c a le n g i n e c 血g ，p a p e fm a l ( i n g ，t l l em i i l e r a lm o u n t a i na q ha _ t i c p r o d u c t s ，e t c t h em a i l lp r o b l e l l 【l sw l l i c h 印p e a r e di 1 1t h e 咖d yo fv o n e xp m n pa r el o n gd e v e l o p m e i l t d e s 谫c y c l e ，1 0 we m c i e n c y 锄dt l l ei i i l p e l l e rs u 行e r e dw e a ra i l dt e a rs 谢o u s l y s oh o wt o s h o r t e i lt h ed e v e l o p m e mc y c l e ，面p r o v et h ee 硒c i e n c ya n dr e d u c et h ew e a r 锄dt e a ro fi i n p e l l e r a r em e u r g e i l tp r o b l e m sn e e dt 0b es o l v e d t h e r e f o r e ，i i lt h ep r o c e s s o f v o r t e xp 啪pd e s i g n ，f o r t 1 1 ed 锄a n do fs o l v et h em a i l lp r o b l e n l s ，t l l ev o r t e xp 啪pc a ds y s t e m ，c f dn u m e r i c a l s i i i m l a t i o na n ds 訇n l c t u r ea n a l y s i so fi m p e l l e rl x a v e 伊e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea i 试p r a c t i c a l v a l u e t h em a mr e s e a r c hc o n t e n to ft 1 1 ed i s s e r t a t i o na r ea sf b n o w s ： ( 1 ) b a u s e do nt l l ed e s i g nm e t h o do f t l l e l r e ee l 锄e n t so f v o r t e xp 啪pa n dm e b a s i cd e s i 髓 t h e o r yo fs p e e df 狐0 rm e t h o d ，f 0 rt h en e e do fp a r 锄e t r i cd e s i g 玛t h ev o r t e xp u i n ph y d r a u l i c d e s i 印a r ea c l l i e v e d ( 2 ) f o rt 1 1 en e e d so fs h o r t e n e dn l ed e v e l o p m e mc y c l eo f t h ev o n e xp w n p ，b yu s i i l gt l l e s o 肺a r eo fs o l i d w o r l c sa n dm et o o l so f a ，s e tu pt 1 1 ec a ds y s t e mf o rt h ec o r ec o i n p o n e n t o fv o r t e xp u m p f i r s t l y ，a c c o r d i n gt om e t h o do ff e a t u r em o d e l i n g ，e s 讶b l i s hm em o d e l so f i m p e l l e ra i l dv o l u t eb yu s i i l gs o l i d w o f k s ，a 1 1 dt 1 1 e nu s e t h ew a yo f d i i n e l l s i o n d r i v e i lp a r 锄e t r i c m o i 【e l 讧l g ，w eg e tt h ep a r a l n e t r j bt t m e e d i r i l e n s i o n a lm o d e lb yu s i n gm e t o o l so fv b a ( 3 ) t os o h en l ep r o b l e m so fl o we 伍c i e n c ya l l dh n p e l l e rs u f i f e r e dw e a ra j l dt e a rs 甜o u s l y ， c o m p l e t e di n t e m a lf l o wf i e l d s n 啪甜c a ls i m u l a t i o no fv o n e xp u r n p b yu s 堍n l ec f d s o 觚a r ef l u e n t a n dt h e nc h a n g e dt h es n u c t l a lp a r a m e t e ro f v o r t e xp u m p ，g o tm ed i 仃e 阍1 t p r e s s u r e锄dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nh 1d i f f e r e n t s t m c t u r a lp a r 锄e t e r s ，r e s e a r c h e dt h e p e 墒皿a i l c eo ft h es n u c t u r ep a 姗e t e f so fv o r t e xp u m p t h er e s e a r c hp r o v i d e sg u i d a i l c ef o r o p t i i n a ld e s i g n ( 4 ) b a l s e do nt h e 也e o r yo f ”n u i d s o l i d c o u p l i n ga n a l y s i sa i l dt h ep l a t f o mo fa n s y s w o r k b e i l c h ，w l l i c hp r o v i d e sc o l l a b o r a t i v es i n m l a t i o ne n v 曲n m e i l t ，c o m p l e t e dt h ei 1 p e l l e r s 廿u c t u i es 仃e i l g t l la l l a l y s i sa n ds o l v e dn l ep r o b l e mo fl o c a ls e v e r ew e a ro fi i i l p e l l e r t h er e s u l t s o fs 仃e n 舀ha i l a l y s i sp r o v i d eg u i d a n c ef o ro p t i i i l a ld e s i 印o fi i l l p e l l e r k e yw o r d s ：v o r t e xp u m p ；d i g i t a ld e s i 盟；n 啪e r i c a ls i i i l u l a t i o n ；s t m c t w ea n a l y s i s n 西华大学硕士学位论文 l绪论 1 1 课题介绍 1 1 1 课题来源 本课题为四川省教育厅自然科学基金重点项目。 1 1 2 课题研究的背景和意义 旋流泵属于无堵塞泵。随着工农业生产发展的需要，固液两相流体输送日益普遍。 由于旋流泵能够输送含有较大固体颗粒的流体，所以其被广泛应用于各个领域。例如， 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。 与传统叶片式泵相比，旋流泵的主要结构特征是叶轮的安装位置放在压水室后面的 泵腔内，而不是在压水室内。在叶轮旋转时，在无叶腔和叶片间隙内形成贯通流和循环 流。贯通流通过叶片间流道进入蜗壳而后直接从出口流出，循环流则在无叶腔内循环。 由于循环流中部存在低压区，固体颗粒掉入此区，在旋流的带动下从出口流出，因此大 部份固体颗粒可以直接从无叶腔流出。由于旋流泵结构形式和流动方式的特殊性，所以 该泵主要有以下特点【1 】： ( 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 ) 由于循环流的存在造成较大的水力损失，所以泵的效率较低。旋流泵的效率 通常在5 0 左右，而当比转数刀。 1 3 0 和，z 。 6 0 时，效率会明显下降。 由于旋流泵具有以上特点m 刁8 】，因此在国民经济各部门的应用日益广泛。但是由于 目前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，所以至今没有提出完整而且实用的设计计算方法。为设计出高效率，可 靠性好的的旋流泵，本文主要对旋流泵的性能进行了研究。 旋流泵的数字化设计及性能分析 1 2 国内外旋流泵研究现状 1 9 5 4 年，美国w e s t e r nm a c h i n e r yc o 皿p a u l y ，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 1 y g t 公司成功试制出旋流污水潜水泵；在1 9 6 8 年，西德学者r u t s c h i 发表了旋流泵实验研究报告。在此之后，世界各国的学者开始研究旋流泵。但是由于旋 流泵的内部流动十分复杂，所以其研究方法一直是理论与实验研究相结合。国内外的研 究主要有以下几个方面【7 4 刁6 1 ： ( 1 ) 结构参数与泵的性能【6 l 】 影响旋流泵性能的结构参数主要有：泵进出口直径、无叶腔宽度、叶轮形状、叶轮 直径、叶片宽度、叶片个数、叶片进口和出口角、叶轮与泵壳的轴向间隙、吸入口形状 和涡室的形状等。瑞典学者e g g e r 和西德学者r u t s c h i 首先提出了泵结构参数对性能影 响的实验报告，接着大庭，青木等人也进行了大致相同的研究工作。 ( 2 )内部流动形状与流动模型【1 4 棚】 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。 1 9 7 0 年，g r a b o w 在其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。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。下面分别介绍这几种不 同的流动模型。 1 9 8 1 年，s c h i v l e y 等学者首次建立旋流泵的流动模型。建立该模型时假定旋流泵 参数仅随半径变化，并采用一元模型进行了理论分析进行了泵内流动状态空气模型试 验。该模型将流体的流动分为五个相互关联的区域如图1 1 所示：a 区为进口混流区， 即入口与循环流混合区；b 区为粘性旋涡区；c 区为叶轮作用区；d 区为叶轮排出流区； e 区为泵排出流动区。该模型的理论计算结果与实验测量结果相比差别较大，所以该模 型的精度较低。 2 西华大学硕士学位论文 e 图1 1s c h i v l e y 的流动模型图1 2 大庭英数的流模型 f i g 1 1s c h i v l e y sn o wm o d e lf i g 1 2d a t i l g y i l l g s h u sf l o wm o d e l 大庭英树【8 】利用五孔探针对流场做了的详细测试实验，根据实验结果提出了自己的 流动模型。该模型将泵内流动形式分成四种，如图1 2 所示：a 区是贯通流，c 区是循 环流，b 区是a 区与c 区的合流，d 区是不规则流。d 区处在涡室与叶轮的分界处，由于 存在着流入或流出叶轮的流体，所以流体的流动较为复杂，所以称d 区为不规则流。 青木正则【l o 】在大庭英树模型的基础上，从确定贯通流和回流在叶轮处的平均流入及 流出半径入手，提出了自己的流动模型。提出模型后，青木正则通过大量的实验结果提 出了旋流泵的内部流动与性能的关系，证实了叶轮结构参数影响了旋流泵性能。青木模 型如图1 3 所示。 k c v lff 一一广 藿 de b 1 a 黝 图1 3 胥木的流动模型图1 4 陈红勋的流动模型 f i g 1 3q i i l g m u sn o wm o d e lf i g 1 4c h e n h o n g x u n sn o w 脚【o d e l 对旋流泵内部流场的测试实验，国内学者开始研究的比较晚，做的实验也相对要少 一些【4 7 4 9 】。1 9 8 8 年，封俊等人利用五孔探针、激光测速等先进技术测定了无叶腔内的速 度分布。1 9 9 1 年，陈红勋测试了旋流泵叶轮内部流体的流动速度和叶片表面压力，并结 合其他学者的旋流泵内部流体流动的测试结果，建立了自己的流动模型。该模型将旋流 旋流泵的数字化设计及性能分析 泵内部流体流动分为a 、b 、c 、d 、e 五个区域，如图1 4 所示。区域a 为流体流入叶轮 区，主要由入口流入的流体和从c 区域流出的循环流流体两部分组成；d 区域的流动主 要是切向旋涡流；c 区域为叶轮流出区域，该区域的液体向两个方向流出，一部分流入 区域a 成为循环流，另一部分从出口直接流出泵外；b 区域为叶轮流体区；e 区域内存 在着由工作面流向背面的流动，由于此区域流动非常复杂，作者认为此区域的流动是旋 流泵产生水力损失的主要原因。陈红勋不仅通过实验建立了旋流泵的流动模型，同时完 成了叶轮内的全三维势流流场计算。 ( 3 ) 旋流泵的设计方法【l l 】 研究旋流泵的目的之一就是提出它的设计计算方法，估算其性能。但是由于旋流泵 流动的复杂形，到目前为止，还没有提出较为完善的设计方法。 r u t s c h i 、大庭和青木正则等外国学者都提出了各自的设计方法。r u t s c h i 提出的设 计方法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。 图1 5 旋流泵设计的三要素示意图 f 追1 5 n l e 也r e ee l e m e i l t so f m ev o n e x p u m pd c s i 弘 蔡振成、关醒凡、郑铭和袁寿其等国内的学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。蔡振成对泵体喉部断面积与流量和扬程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。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，以涡室径向尺寸足，、喉部断面面积瓦，和叶轮直径d ：为旋流泵设计 的三要素，并给出了三要素计算公式。根据经验公式选定其他结构参数如无叶腔宽度l 等之后，根据三要素可绘制叶轮和蜗壳图，如图1 5 所示。郑铭、袁寿其等人通过长期 4 西华大学硕士学位论文 的实验数据总结出了利用涡壳无叶腔体积与叶轮体积之比来设计旋流泵的法。 从以上国内外对旋流泵进行的研究工作可以看出，对旋流泵的研究已经取得了如 下成果：弄清了旋流泵的外特性特点；推导出一些比较可靠的经验设计公式；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；通过大量的实验，测试 了无叶腔及叶轮内的流场，基本弄清了旋流泵的工作原理和内部流动规律，并建立了 多种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。 前人的研究工作还存在以下不足：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；其次在旋流泵研究中，一般选用清水作为介质，所以以固液两 相混合物作为介质的流动状态和性能的研究内容还较少。 1 3 旋流泵发展趋势 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【5 ”。基于旋流泵本身的性能特点，其发展方向主要是延长使用寿命和提高效率。所 以为了满足社会需要，对旋流泵做进一步的研究，通过改进叶轮材料和叶轮的结构设计 等方法延长使用寿命；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。 1 4 本课题研究的内容 本文做的主要工作有： ( 1 ) 概述前人的研究成果，并进行归纳和总结，分析旋流泵几何结构参数对泵性 能的影响。 ( 2 ) 利用实际参数，即流量、扬程及转速，完成旋流泵主要过流部件的水力设计。 ( 3 ) 应用s 0 1 i d w o r k s 软件完成旋流泵叶轮及蜗壳的基础模型的三维实体建模。 采用基于特征的参数化设计方法，使用v b a 语言编制程序，实现叶轮及蜗壳的三维参数 化设计。 ( 4 ) 应用商业c f d 软件f l u e n t ，把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体，完成旋流 泵内部流场的数值模拟，通过分析内部流场的速度和压力的大小和分布，揭示旋流泵内 部流动特性。通过比较不同结构参数在不同工况下的旋流泵的外特性曲线，分析不同结 构参数对旋流泵性能的影响，从而选择较好的结构参数，提高旋流泵的效率。 旋流泵的数字化设计及性能分析 ( 5 ) 基于“流一固”耦合理论，应用a n s y s 软件对旋流泵叶轮进行强度分析，为叶 轮的优化设计提供指导。 1 5 本章小结 本章主要介绍了旋流泵的特点，发展现状，发展趋势，研究的目的和意义以及本论 文的主要工作等主要内容。 6 西华大学硕士学位论文 2 旋流泵的工作原理及水力设计 2 1 旋流泵的工作原理 在对旋流泵的性能进行探讨之前，先介绍其工作原理【7 7 - 8 1 1 。旋流泵虽然结构简单， 但其内部流动相当复杂。旋流泵的流动简图如图2 1 ( a ) 所示。 流体沿轴向流入涡室及叶轮，由于叶轮的旋转作用，使流体受离心力的作用，从而 能量增加。由于进入叶轮叶片间的流体直接受到叶片的推动力而与叶轮一起运动，当这 部分流体运动到叶轮出口项部附近时，因受较大的离心力作用，直接随叶轮旋转流向出 口，从而形成了贯通流；而在叶轮中部的部分流体因受较小的离心力作用，从叶轮获得 能量流入泵腔后并没有直接从出口流出，而是又流入叶轮入口，形成回流，这部分回流 被称为循环流。所以贯通流为绕叶轮轴旋转的轴向旋涡流，如图2 1 ( b ) 所示；而循环 流则是在径向平面内旋转的纵向旋涡流，如图2 1 ( c ) 所示。由于强烈的轴向旋涡作用， 泵吸入口形成真空及压力差，在压力差的作用下，流体不断进入泵腔中。在循环流与贯 通流交汇区域，循环流将部分能量以主要以动能形式传递给贯通流，所以产生扬程的主 流是贯通流。由于存在循环流，使涡室中产生多种附加的水力损失，所以旋流泵效率偏 低。 ( a ) ( b )( c ) 图2 1 旋流泵内部流动图和纵向旋涡简图 f i g 2 1 i n t e n l a ln o wo fv 0 r t e xp u m p 2 2 旋流泵内部能量损失及泵的效率 旋流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，弄清其来龙去脉，为减少 损失提高效率指明方向。下面按能量在泵内的传递过程，逐一介绍泵内能量的输入和输 出情况【1 1 。 旋流泵的数字化设计及性能分析 ( 1 ) 机械损失和和机械效率 电动机传递到泵轴上的称为轴功率，首先要花费一部分轴功率去克服轴承和密封装 置的摩擦损失，剩下来的轴功率来带动叶轮旋转。但是叶轮旋转的机械能并没有全部传 给通过叶轮的液体，其中一部分消耗于克服叶轮前、后盖板表面与壳体间液体的摩擦， 这部分损失功率称为圆盘摩擦损失。 上述轴承损失功率、密封损失功率和圆盘摩擦损失功率之和称为机械损失圪，其 大小用机械效率刁m 来表示。轴功率去掉机械损失功率的剩余功率用来对通过叶轮的液 体作功，称为输入水力功率，用只表示。机械效率为输入水力功率和轴功率之比，即： p pp = 等= 等 ( 2 1 ) rr ( 2 ) 容积损失和容积效率 输入水力功率用来对通过叶轮的液体作功，因而叶轮出口处液体的压力高于进口压 力。出口和进口的压差，使得通过叶轮的一部分液体从泵腔经叶轮密封环间隙向叶轮出 口逆流。这样，通过叶轮的理论流量q 。并没有完全输送到泵的出口，其中泄流量g 这部 分液体把从叶轮中获得的能量消耗于泄漏的流动过程中，即从高压液体变为低压液体。 所以容积损失的实质也是能量损失，容积损失的大小用容积效率叩。来计算。容积效率为 通过叶轮除掉泄露之后的液体( 实际流量q ) 的功率和通过叶轮液体( 理论流量q 。) 功 率之比，即： 7 7 f j _ 型塑盟：鱼堕：旦 ( 2 2 ) 偌q t 日。户g q 。- tq 。 式中 q 。为泵的理论流量( 通过叶轮的流量) ，q 。= q + g 日为泵的理论扬程，它表示叶轮传给单位重量液体的能量； g 为泄漏量。 ( 3 ) 水力损失 由于流体在旋流泵内部的流动过程中伴有水力摩擦损失和冲击、速度的大小方向变 化等引起的水力损失，要消耗部分能量。所以通过叶轮的有效液体从叶轮中接收的能量 h ，也没有完全输送出去。因为液体在泵的过流部分( 从泵进口到出口的通道) 的流动 中伴有水力摩擦损失和冲击、脱流、速度方向及大小变化等引起的水力损失，从而要消 耗掉一部分能量。单位重量液体在泵的过流部分流动中损失的能量称为泵的水力损失， 用h 来表示。由于存在水力损失，单位重量液体经过泵增加的能量日，要小于叶轮旋转 西华大学硕士学位论文 传给单位重量液体的能量日。，即日= h 。一h 。泵的水力损失其大小用泵的水力效率7 7 。来 计量。水利效率为去掉水力损失液体的功率和未经水力损失液体功率之比，即： ( 2 3 ) 旋流泵内部各中能量损失的总和用总效率来表示。有效输出功率只和输入功率p 之 比为总效率，用公式可表示为： 玎毒= 竽器= 芈罟若巩m 。 亿4 ，。 p尸 q 。 p q 。 ” 所以机械效率、容积流效率和水力效率的乘积是泵的总效率。 叩= 刁m 叩u ，7 h ( 2 5 ) 在设计旋流泵之前只能按统计资料或类似的实际产品大致确定预设计泵的效率。待 旋流泵设计完成之后，只能根据经验公式近似估算其效率值，泵制造完成之后，才能通 过试验精确地确定其效率的大小。旋流泵的最大缺点是效率低，其效率一般为5 0 左右， 最高效率为6 2 ，要比一般离心泵低1 5 到2 5 左右。旋流泵的效率受比转数的影响较大， 当比转数小于8 0 或大于1 7 0 时，泵的效率明显下降。 2 3 旋流泵结构参数对性能的影响 图2 2 旋流泵主要结构参数示意图 f i g 2 2 t l l l em a i ns 仃u c t i 吼lp a n n e t e r so fv o r t e xp u m p 为探究旋流泵结构参数对其性能的影响，国内外许多学者设计研究了多种不同结构 的叶轮进行对比试验。虽然各个实验研究的目的、过程有所差异，但总结实验结论得出 的影响旋流泵性能的结构参数的观点较为统一【1 】【8 0 】，即：叶轮结构，叶轮外径、叶片数 9 旋流泵的数字化设计及性能分析 z 、叶片宽度、叶片进口和出口角、泵进口直径、泵出口直径、无叶腔宽度以及叶轮与 泵壳的轴向间隙、吸人口形状和涡室的形状等是影响旋流泵性能的结构参数。旋流泵主 要结构参数如图2 2 所示。 由于现在从理论上还无法直接建立旋流泵的主要水力几何参数与性能之间的函数 关系式，所以只能采用最简单的改变几何参数的方法来分析旋流泵外特性曲线的变化规 律，从而为归纳经验系数打下基础。 ( 1 ) 旋流泵结构形式 磊 ( a ) 劢 r 矾f ( d ) ( b )( c ) 图2 3 旋流泵的结构形式 f i g 2 3 d i 仃e r c n ts 仇l c t l 鹏o fv o n e xp u m p 旋流泵结构形式如如图2 3 所示。结构形式( a ) 近来已不多见；结构形式( b ) 的叶 片内外有轮毂相连，强度好，不易被输送的沙石等打坏；( c ) 、( d ) 和( e ) 三种形式相 差无几，但( e ) 种形式，结构简单，流动通畅；( f ) 叶轮前移到前腔内，泵的效率有所 提高，但降低了泵的通过能力和耐磨损性。 ( 2 ) 旋流泵叶轮叶片形式对性能的影响 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2 4 所示。常用的旋 流泵叶轮叶片主要有直叶片和斜叶片两种。图2 4 中( a ) 为放射形直叶片，( b ) 为单向 倾斜斜叶片，( c ) 为分两段双向倾斜斜叶片。 l o 西华大学硕士学位论文 o00 ( a )( b )( c ) 图2 4 旋流泵的叶轮叶片形式 f i g 2 4 d i 仃e r e i l ti m p e l hb l a d ef o 加o fv 0 r t e xp u l p 斜叶片倾斜角的表示方法为：从叶片进口开始倾斜的斜角用秒表示，同旋转方向的 斜角在口前加f ，反旋转方向的在9 前加尺，见图2 5 ( c ) 。双向倾斜叶片的第二段倾 斜开始在离出口约为叶片全长的1 4 1 3 处，用符号妒来表示第二段的倾斜角的角度 值。资料表明，倾斜叶片的效率高于直叶片，双向倾斜的效率又稍高于单向倾斜叶片的 效率。在工程中优先选用效率较高且性能良好的叶片形式有r 3 0 叶片( 图2 5 ( a ) 所示) 和r 3 0 一，3 0 叶片( 图2 5 ( b ) 所示) 。 ( b ) 图2 5 旋沉泵叶轮倾斜叶片及倾斜角的表示简图 f i g 2 5 t h ei n c l i n e db l a d eo fv o n e x p u 瑚【pi m p e l l e r ( 3 ) 叶轮叶片数 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。 般说来叶片数增多，泵的扬程增加。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 动很强，造成叶片间流动紊乱，产生相当大的附加水力损失。适当增加叶片数时，会改 善这种流动状态，提高泵的效率。如果叶片厚度薄，同时增多叶片数，可达到明显提高 扬程和效率的结果。旋流泵叶片通常选用8 1 2 枚，叶片过多，排挤严重，表面摩擦损 失增加，效率将下降。叶片直径大时，可在两叶片间出口部分增加短叶片。 旋流泵的数字化设计及性能分析 ( 4 )叶片厚度对泵性能的影响 叶片厚度减小，将使泵的扬程有所增加同时使泵的效率有所提高。为了增加扬程和 提高效率，则应尽量减小叶片厚度。但叶片厚度较薄时，叶片的强度减弱，叶片很容易 被输送的流体中含有的固体颗粒打坏，为了防止出现这种情况，应改变叶片的结构，在 叶片内径处增加轮毂。将叶片做成楔形能有效的减少旋流泵叶轮叶片前缘由旋涡产生的 损失。楔形叶片如图2 7 所示。 1 广一一 图2 6 楔形叶片 f i g 2 6w e d g es h a p e db l a d e ( 5 ) 叶轮出口宽度 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 ：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，最高效率点随b ，增加向大流量方向移动。这可解释为b ： 增加，叶轮对液体作功增加，而循环流的程度相对减小所致。通常b ，的选用范围是： b d ，= 0 2 0 2 5 ，高比转数选大值。 ( 6 )叶轮外径 叶轮外径是影响旋流泵流量与扬程的关键因素之一。当不改变其他结构参数时，增 大叶轮外径，则一方面使流体的旋转速度增大，因而使泵的扬程提高；但另一方面相对 减小了涡室过流面积，可使流量有所提高；但增大叶轮外径，圆盘摩擦损失也增大，泵 的效率降低。所以综合考虑以上原因，为使设计的泵效率较高且性能较好，叶轮外径应 取中间值。 ( 7 ) 吸入口形式和吸入口直径对旋流泵性能的影响 旋流泵的吸入口形式如图2 8 所示。( a ) 种形式较常用。( b ) 种形式可用低扬程大流 量泵。增加吸入口直径，泵的扬程有所降低。吸入口直径d i 的选择与叶轮外径有关，其 1 2 西华大学硕士学位论文 选取范围为：q d 2 = o 4 一o 5 5 。 ( a )( b ) 图2 7 旋流泵的吸入口形式 f i g 2 7 e n t r a n c ef b 加o fn l ev o r t e xp u m p ( 8 ) 压水室形状对泵性能的影响 压水室形状如图2 9 所示，有螺旋形( a ) 、准螺旋形( b ) 和环形( c ) 三种。试 验结果表明，螺旋形压水室隔舌区域会产生严重撞击，效率较低；准螺旋形压水室和 螺旋形压水室相比其效率明显提高；环形压水室在小流量工况下效率较高，但在大流 量工况下效率明显降低。当旋流泵的比转数n 。 5 0 时，压水室的形状选取准螺旋形较好。 麒l i i 、：乡酞一7 ( a )( b )( c ) 图2 8 压水室形状 f i g 2 8t h es h a p eo fv 0 1 u t e ( 9 ) 无叶腔宽度 无叶腔宽度的表示方法见图2 1 0 ( a ) 所示。增大无叶腔宽度l ，会使涡流场加大， 增加了循环流的功率损失，因此泵的扬程和效率均下降；减小无叶腔宽度l ，旋流泵的 扬程、效率均有所提高。但减小无叶腔宽度l 后，会降低旋流泵流体的通过能力。所以 选取无叶腔宽度l 时应在保证要求的通过能力条件下，尽量减小无叶腔宽度的l 值。无 叶腔宽度的l 的选择与叶轮外径有关，其大小的选取范围范围为：d ，= 0 2 5 o 3 5 。 旋流泵的数字化设计及性能分析 仙 c ，i ， 摹矛 ( a ) ( b )( c )( d ) 图2 9 无叶腔宽度和叶轮相对无叶腔位置 f 蟪2 9 v o l u t e 诵d m 锄d 也er e l a 6 v cl o c 撕o no fi n l p e l l e ra l l dv 0 l u t e ( 1 0 ) 叶轮和无叶腔的相对位置对泵性能的影响 叶轮和无叶腔的相对位置有三种形式，分别为叶轮全部前伸到无叶腔内，叶轮部分 前伸到无叶腔内和叶轮退缩到前腔后。其中叶轮退缩到前腔后面的形式为常用的形 式。当叶轮全部或者部分前伸到无叶腔内时，旋流泵的效率有所提高。但是此时也使较 多的流体中的固体颗粒流经叶轮，使叶轮的叶片的磨损加剧，而且使流经的固体颗粒 尺寸受到叶片间距的限制，使旋流泵的无堵塞性降低。在设计时根据具体条件确定采 取形式。 ( 1 1 ) 叶轮外径与壳体的间隙对泵性能的影响 叶轮外径与壳体的间隙对泵的性能有很大影响。当间隙较小时，流体直接和壳壁 相撞击，增加附加水力损失，从而使旋流泵的扬程和效率均有所下降。当间隙过大 时，会形成附加的环流损失，也会使旋流泵的性能降低。叶轮外径与壳体的间隙的选 择与叶轮外径有关，其大小的选取范围范围为：e d ，= 0 1 0 2 。 ( 1 2 ) 压水室喉部面积 压水室喉部面积矗对旋流泵的性能有重要影响。从旋流泵中最终流出的流体和压 水室喉部面积民，有直接关系。当旋流泵压水室喉部面积较小时，压水室径向尺寸较 小，致使流体运动速度较高，造成较大的扩散，所以使旋流泵的效率有较大幅度提高。 ( 1 3 ) 压水室尺寸 压水室径向尺寸较小时，在相同流量下扬程有所提高。曾有学者通过试验得出压 水室径向直径越大，效率越低的结论。由于压水室径向尺寸越大，压水室前内壁面积 越大，循环流也越大，同时在壁面附近产生逆流，所以泵的率越低。 ( 1 4 )出口直径如对泵性能的影响 据国外学者研究结果可知，旋流泵的出口直径一般应大于无叶腔宽度，并与进口 1 4 西华大学硕士学位论文 直径相同。这样可求得大流量和良好的通过性。然而根据我国实验结果及实践可知， 在操作者水平不高时，若取较大的出口直径，往往会导致功率过高，甚至超过标准功 率而使电动机烧毁，因此建议根据经济流速及标准管径选取出口直径，这样既可使设 计的性能不变，又可以减少运行中电机被烧毁的现象。 2 4 旋流泵主要水力参数设计计算 由于旋流泵内同时存在贯通流和循环流。流动状态十分复杂。虽然许多学者试图建 立数学模型【2 3 乏7 ) ，从理论上进行计算，但目前这些流动模型均和实际情况有很大出入。 本文采用关醒凡等建立的旋流泵设计方法进行水力设计。用该方法设计旋流泵需要确 定三个重要几何参数：叶轮外径，压水室最大半径，和压水室喉部面积。这三个参数 称为旋流泵的设计三要素。在选其它几何参数如叶轮出口宽度、无叶腔宽度等之后， 根据三要素可绘制叶轮和压水室图。 根据实际要求需要设计一台扬程为3 2 m ，流量为1 0 0 m 3 肛，转速为1 4 5 0r p m 的旋流 泵。设计过程如下： ( 1 ) 效率的确定【l 】 在设计泵之前不知道其效率的值，但是在设计过程中需要用到效率，因此只能借 助经验公式或者参考同类型的泵产品的效率值来确定要设计泵的效率值，在设计过程 中设法达到确定的效率。 ，7 = 7 7 ，7 ，7 。 ( 2 5 ) 由公式2 5 可知总效率等于水力效率、容积效率、机械效率的乘积。可以根据以下 公式先分别估算水力效率、容积效率、机械效率的大小： 由公式2 6 可知水力效率取决于流量和转速。 仇：1 + o 0 8 3 5 l g 俘 ( 2 6 ) y 乃 由公式2 7 可知容积效率取决于比转数。 1 叩，= l 百 ( 2 7 ) 。” 1 + o 6 8 刀一2 7 3 一。 公式2 8 为只考虑圆盘摩擦损失的机械效率计算公式。其值取决于比转数。 ，7 。= l o 0 7 一 ( 2 8 ) ( 志) 7 佰 ( 2 ) 轴功率和输出功率的确定【1 1 1 5 旋流泵的数字化设计及性能分析 泵的功率通常指输入功率，即原动机到泵轴上的功率，故又称轴功率，用p 表示。 泵的有效功率又称输出功率，用p 表示，它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中 获得的有效能量。输入功率和有效功率的计算公式如下： p ：垡塑( 2 9 ) l o o 叻 只：垡罂 ( 2 1 0 ) 、 l 0 0 0 、。7 ( 2 1 1 ) 比转数也可称为比转速或者简称为比速，用甩。表示。它是在相似定律的基础上推出 的一系列几何相似的泵的性能之间的综合数据。比转数也就是泵的相似准则。低比转数 表示设计高扬程小流量的泵，高比转数表示设计低扬程大流量的泵。当1 2 0 ，z 。 2 1 0 时， 泵的效率最高，而当，z 。 1 2 01 1 0 1 2 01 0 0 一1 1 09 0 l o o8 0 一9 07 0 8 0 = 荨) c 5 7 ， 引入平衡与协调条件，可以一般的表示为： 旋流泵正常工作时会出现复杂的“流一固耦合现象，所以对旋流泵结构分析时必 须考虑“流一固”耦合作用。在对旋流泵叶轮结构静力分析过程中，由于“流一固”耦合 分析比较复杂，所以以前大多采用简化流体作用或者不考虑流体作用。随着计算机计算 能力的快速发展，目前在对旋流泵叶轮结构分析计算时，可以考虑“流一固 耦合作用， 使分析结果的精度和可靠性有所提高。 5 4 旋流泵叶轮的静力分析 旋流泵叶轮的三维实体模型在第三章创建参数化模型中已经建立，而第四章也已经 完成旋流泵内部数值模拟，并且优选了性能参数比较好的模型。下面就利用第三章和第 四章的内容完成旋流泵叶轮的结构静力分析。 5 9 旋流泵的数字化设计及性能分析 应用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 平台完成旋流泵叶轮结构静力分析，验证所 设计的叶轮是否满足强度要求，为旋流泵叶轮的结构优化设计提供了数值依据。旋流泵 叶轮的结构静力分析的目的是计算叶轮在工作载荷下的变形、应力分布及大小，以检验 设计的叶轮能否满足实际使用要求f 8 9 母1 1 。 由前面章节内容选择旋流泵叶轮的叶片数为1 0 片，叶片形状为直叶片。 5 4 1 有限元网格划分 利用a n s y sw o r k b e n c h 软件提供的划分网格平台，完成旋流泵实体模型的网格划分。 网格划分好的叶轮有限元模型如图5 2 所示。 图5 2 叶轮的网格划分 f i g 5 2 m e s hn 地i i n p e n 盯 5 4 2 材料常数设置 叶轮的材料为z g o c r l 3 n i m o 合金钢，材料属性参见表5 1 。 表5 1 叶轮的材料属性 t a b 2 8m a 耐a lp 唧e n i 豁o fi 1 州l c r 材料密度弹性模量泊松比屈服强度抗拉强度 z g o c r l 3 n i m o 7 8 5 0 培m 3 2 0 6 g p a 0 31 2 0 m p a2 4 0 m p a 5 4 3 约束及载荷的设置 叶轮的材料属性设置完成后，对其施加约束及载荷。由叶轮的实际工作状况可知， 叶轮所受的载荷有：首先叶轮在蜗壳内绕工作轴作旋转运动，叶轮受到旋转载荷的作用； 西华大学硕士学位论文 此次由于叶轮本身有质量，所以受到重力的作用；最后叶轮受到流体压力。所以对叶轮 施加的载荷及约束如下： ( 1 ) 施加约束：限制叶轮轮毂内匠表面的周向位移及轴向位移，释放径向位移自 由度。 ( 2 ) 旋转载荷：通过定义旋转速度来施加旋转载荷，即叶轮受到离心力作用。由 设计条件可知，叶轮的旋