（流体机械及工程专业论文）低比转数疏水泵内部流动的数值模拟及试验研究.pdf

摘要 能源工业是国民经济的基础产业，世界各国都把建立可靠、安全、稳定的能源 供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。随着我国经济的快速发展，对电力供 应的需求越来越大。我国电力结构是以火电为主，而且今后相当长的时问内这种现 状不会改变。火电是最大的耗煤用户，近年来，能源r 益紧张，煤炭价格也在不断 上涨，因此，如何提高热效率以达到节煤的目的，成为众多电厂最关心的问题。 采用疏水泵连接的给水回热系统是提高电厂效率的有效措施。由于低压加热器 的疏水介质是温度较高的饱和水，容易造成疏水泵进口发生汽蚀现象，从而导致故 障和损坏，影响其正常工作。另外，现有疏水泵品种单一，不能满足当前大容量火 电机组的要求，使得只有少量火电机组采用高效率的疏水泵连接方式，能源浪费的 问题也越来越突出。因此，开发品种齐全、汽蚀性能好的疏水泵十分必要。 本文采用c f d 技术与试验研究相结合的方法对低比转数疏水泵进行研究，应用 c f d 软件f l u e n t 中的标准x - e 湍流模型对低比转数疏水泵内部三维湍流场数值模 拟，得到同一设计工况下四种不同长短叶片形式叶轮内流场的速度和压力分布，为 疏水泵优化设计提供参考。本文的主要工作如下： 1 系统阐述前人在离心泵方面的研究成果，归纳总结国内外在离心泵设计领域 的进展。 2 利用p r o e 三维实体造型软件进行叶轮实体造型，将叶轮构造成具有周期性 边界条件的单流道形式，将p r o e 造型的叶轮实体导入g a m b i t 生成流动区域，利 用非结构网格对流动区域进行网格划分，并指定边界类型。 3 结合c f d 软件f l u e n t 对所设计的4 种叶轮在相同的设计工况下进行三维 不可压湍流场的数值模拟。 4 对设计的4 种不同叶轮疏水泵进行了能量和汽蚀试验，并将试验结果和计算 结果对比分析，结果表明，将c f d 技术应用于离心泵的设计中，对于改善和提高电 厂疏水泵综合性能具有良好的效果。 关键词：低比数离心泵；汽蚀性能；数值模拟；试验研究； 江苏大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t a sn a t i n a le c o n o m yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y , e l e c t r i cp o w e rw i l lb ei nn e e dm o r ea n d m o r eh e a v i l y o u rp o w e rs t r u c t u r ei sm a i n l yh e a tp o w e r , w h i c hw i l lb en o tc h a n g e di n v e r yl o n gt i m e h e a tp o w e r i st h eb i g g e s tc o a lc o n s u m i n gu s e r , e n e r g yh a sb e e nb e c o m e m o r ea n dm o r es h o r tr e c e n t l y , a n dp r i c eo ft h ec o a lh a ss h o w nac o n t i n u a su p t r e n d ， t h e r e f o r e ，h o wt oi n c r e a s eh e a te f f i c e n c yt os a v ec o a li sf o c u s e db ym a n yp o w e rp l a n t t h e e f f e c t i v em e a n sf o ri n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fp o w e rp l a n ti st oc o n n e c tt h ee x t r a c t i o n f e e d w a t e rs y s t e mw i t hd r a i n a g ep u m p b u tt h er u n n i n gc o n d i t i o n so fd r a i n a g ep u m pi sb a d ， b e c a u s et h ew o r k i n gs u b s t a n c ei nd r a i n a g ep u m pi sg e n e r a l l yl o wp r e s s u r eh e a t e rd r a i n a g e w h i c hi so ff e a t u r e ss u c ha sh i 【g hb a c kp r e s s u r ea n ds u c t i o nt e m p e r a t u r e s p e c i e so ft h e d r a i n a g ep u m pa r es i n g l ea n dm o l dm a k i n gd i f f i c u l t ，a n dc a v i t a t i o ni sa p tt oo c c u rw h i c h m a k e st h ea m o u n to fm a i n t e n a n c ew o r ki n e r e a s e d ，s oo n l yf e wh e a tp o w e ru n i t st a k e d r a i n a g ep u m pa sa t t e n d e dm o d l e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o pm o r ee x e l l e n t d r a i n a g ep u m p w i t hm o r es p e c i e sa n dm o r ec a v i t a t i o n i nt h i sp a p e r t h ec f d t e c h n i q u ew h i c hg r o w sf a s tr e c e n t l yi sa p p l i e di nt h es t u d yo f a n t i - c a v i t a t i o n sp e r f o r m a n c e t h e3 dt u r b u l e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h el 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 pw h e r ec l e a rw a t e r f l o wi nb yn - s e q u a t i o n k - t u r b u l e n tm o d e l a n dc f ds o f t w a r e ，a n dt h ev 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 no ft h r e ek i n d so fb l a d e sw i t h d i f f e r e n ts h a p e c o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a lf i n d i n g s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nd i s t r i b u t i o n o ff l o wf i e l da n dc a v i t a t i o n si sa n a l y z e da n df o u n d a t i o n a lr e f e r e n c ei sb r o u g h tu pf o rt h e p e r f e c t i o no ft h et h e o r yo nl 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 pa n do p t i m u md e s i g n t h e m a i nw o r ki so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 s u m m a r i z i n gt h er e s e a r c h r e s u l to nc a v i t a t i o n sf u n d a m e n t a lt h e o r ya n dt h e i m p r o v e m e n ti n c a v i t a t i o n sp e r f o r m a n c eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p ，g e n e r a l i z i n gt h e a d v a n c e m e n ti na n t i - c a v i t a t i o n sd e s i g n 2 r o es o f t w a r ei su s e dt om a k et h ei m p e l l e re n t i t y i nt h ep r o c e s so fm o d e l i n g ， i m p e l l e rh a sb e e nc o n s t r u c t e dt od i f f e r e n ts h a p e ss u c ha sw h o l ef l o wp a s s a g ea n ds i n g l e f l o wp a s s a g e 3 c o m b i n i n gw i t hf l u e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e3 di n c o m p r e s s i b l ef l o w f i e l df o rf o u rk i n d so fi m p e l l e rw h i c hh a v eb e e nd e s i g n e da tt h es a m ed e s i g nw o r k c o n d i t i o na c c o r d i n gt oa c t u a lq u a l i f i c a t i o ni nl a t e rc a l c u l a t i o n a tp r e - t r e a t m e n to ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i m p e l l e re n t i t yw h i c hi sm a d eb yp r o es o f t w a r ei sl e dt o g a m b i t , t h u sf l o wa r e ah a sb e e ng e n e r a t e da n dd i v i d e di n t ou n s t r u c t u r e dg r i d i i 江苏大学工程硕士学位论文 4 i ti ss h o w nt h a ta p p l i c a t i o no fc f d t e c h n i q u ei nt h ed e s i g nf o rc e n t r i f u g a lp u m p h a sag o o de f f e c t i v ec o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt e s td a t a k e yw o r d s ：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 ，c a v i t a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i i i 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 内容或部分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沦文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囤。 学位论文作者签名：j 牛篷考 w 尸年二月i 譬日 指导教师签名：懈 砂叼年| 口只l 弓日 l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，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成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 丰篷秀 日期：锄口尸年7 乙月t 土日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1本文研究的背景及目的 能源是国民经济发展的重要基础。我国能源资源虽较丰富，但分布严重不均，水力 资源的9 0 在西部，煤炭资源的踟在北部，而7 0 的能源消费却集中在东部及沿海 地区f 。水力资源富矿不多，开发难度大。在能源消费结构中，火电占7 5 以上l z j 。我 国的能源利用率低，平均耗能高，产值能耗约为发达国家的销倍，产品单耗比发达国 家高4 0 ，能源利用率不到3 0 ，人均用电水平只有世界平均水平的1 3 t 引。 世界电业界普遍认为，若一个国家的人均装机容量达到1 k w 人，就认为该国己 进入中等发达国家，而我国人均装机容量还不到0 2 k w 人，要连续翻四番才能达到 现在的中等发达国家水平i 训。我国经济增长趋势为：2 0 0 0 2 0 1 0 年为6 8 ， 2 0 1 0 2 0 2 0 年为5 6 3 。据此预n - n2 0 2 0 年我国电力装机容量为7 9 0 1 m w l5 。，在 今后相当长的一段时间内我国以火电为主的电力结构不会改变。 热力发电厂几乎都采用回热加热系统，回热加热系统是火电厂的重要组成部分。 工作原理是利用汽轮机内作过部分功的蒸汽，从汽轮机的抽汽口抽出一定的数量， 引入加热器内加热凝结水和给水，提高锅炉的给水温度，同时减少进入凝汽器的排 汽量，从而减少热损失，节省燃料的消耗，提高火电厂的热效率【_ 刀。可见，回热加热 系统对电厂的经济性有着重要的影响1 8 j 。 随着机组单机容量和蒸汽参数的提高，电站的热经济性不仅依赖于机组本身， 而且还依赖于热系统中辅机的配置和运行方式。由于电网容量的迅速增大，昼夜之 间负荷的差值也就越来越大，大容量机组参加调峰的问题已经迫在眉睫。疏水泵作 为热力系统的重要设备，除了要求具有较高的经济性外，同时还要求适应在变压运 行和滑压运行方式下工作，电厂辅机设备中的给水泵的运行方式也由原来的定速运 行改为变速运行。由于提高火电厂效率是今后火电技术的一个发展方向，回热加热 系统的循环方式有多种，电厂主要采用的有疏水自流式连接方式和疏水泵连接方式。 图1 - 1 和图1 2 为两种常见的热力系统图【6 l 。汽轮机为双缸双排汽，有七级不调 整抽汽，回热系统包括两台高压加热器、四台低压加热器和一台定压运行除氧器。 h 1 、h 2 为两台高压加热器，其疏水逐级自流入除氧器h 3 ；h 4 、h 5 、h 6 、h 7 为低 压加热器，在图1 - 1 中采用疏水泵的连接方式，每台低压加热器要设一台疏水泵，分 江苏大学工程硕士学位论支 别将其疏水打入各自水侧出口的主管路 将疏水汇集到冷凝器。 过热器 在图1 - 2 中采用疏水自流的连接方式，逐级 - 低缸 舯：觚“j。 c 凹1 1 采型疏水泵连接的热力系统 一 过热嚣 p b 1 高压_ | _ 1 h 1 。r 碓 皂 柞污冷甜! k | 1 _ 地沟 低爪缸 图1 - 2 采坩兢水自流连接的热力系统 采用不同的疏水收集方式对热经济性的影响不同，约为0 5 15 之白j ，所以 实际疏水收集方式应通过技术经济比较来确定。疏水泵连接的系统由于疏水和主凝 结水混合后可以减少该级加热器的出口端差因而提高了热经济性。但由于疏水量 不大，如低压加热器的疏水量只占主凝结水量的2 5 ，混合后主凝结水温度约 升高0 5 左右1 4 j 。而疏水自流式连接的系统由于疏水全部采用自流，且晟后流入凝 ， 器o i二二_lj 黼 器 m t “ m k 州 岷。啊 州褫叫叫 琉 h 1 - 器 h 钒 小 除 _ 咖 觚船 ， 饥 沟 。 器 地 c 枷冷 一玎 排 【fiii ，i虬 肭 0 一 j 牾削 m m 器i 轧。除 江苏大学工程硕士学位论文 汽器中造成极大的热量损失，热经济性差。 由于疏水泵是用于输送电厂低压加热器疏水，工作条件较差，主要受以下方面 限制：( 1 ) 疏水泵吸入压力和吸入温度都比较高，疏水温度最高可达到1 7 0 ，疏水 压力最高可达到5 5 m p a l 8 j ；( 2 ) 经常受锅炉给水泵在负荷突然波动期间所经受的全 部瞬变条件；( 3 ) 受有效汽蚀余量限制1 9 1 。虽然采用疏水泵的系统热效率高，但由于 维护工作量大，以往在电厂中很少采用。随着能源紧张问题r 益突出，使煤价上涨， 成本增加，提高电厂热效率显得尤为迫切，很多电厂在回热系统选择上又倾向于使 用疏水泵连接方式。这就要求疏水泵设计中应用新技术，提高疏水泵汽蚀性能，并 将疏水泵产品系列化，改变现有产品单一的局面，以提高电厂的热经济性，达到节 约能源的目的。 1 2 疏水泵研究现状 近年来，国内若干科研单位和厂家在吸收国内外同类产品优点的基础上，进行 疏水泵新的系列开发工作，在结构上进行了创新性改进，以提高疏水泵的汽蚀性能。 上海上泵集团、沈阳水泵厂和江天水泵研究所等都采用多级式设计，在疏水泵的首 级采用高汽蚀性能诱导轮，木级采用螺旋形压水室，通过切割叶轮外径调节泵的性 能；中间级采用径向导叶。与原多级节段式泵和多级蜗壳式泵相比，结构大为简化， 由此可降低制造成本，显著提高泵运行的稳定性和可靠性【1 0 j 。然而，由于所丌发的 系列产品性能参数与国内现有的疏水泵相同，仅有7 个品种，特别是扬程在9 0 1 2 0 m 范围内且耐高温和汽蚀性能好的低比转速疏水泵更不多见，不能满足目前电力高速 发展对疏水泵需求多元化的要求，因此，提高综合性能和产品系列化成为当f j i 电厂 疏水泵研究十分迫切的问题。 疏水泵通常为低比转数离心泵。随着应用要求的不断提高，低比转速泵向比转速 越来越低的方向发展【1 2 l 。但正因为低比转速离心泵流量小、扬程高，就存在有不同于 一般离心泵的特点：为了产生较高的扬程，低比转速离心泵叶轮直径相对较大，造成 其流道长而窄，致使圆盘摩擦损失和流道内损失均较大，因此效率较低，由于叶轮 流道扩散较严重，在小流量工况下，很容易在叶轮出口和内部产生回流和脱流，在 外特性上就表现为其扬程流量曲线存在驼峰，刘甲儿【1 3 】等对目前常用的设置前置导 叶、斜切叶轮出口边、减少叶片数等改善不稳定特性的方法进行了分析；低比转速 离心泵的输入功率随流量增大快速上升，最大轴功率与设计点功率之比远大于一般 离心泵的相应值，由于泵运行条件复杂，泵的实际运行工况点经常变化，特别对出 3 江苏大学工程硕士学位论文 口管路无流量调节阀的用户来说，电机过载烧毁现象时有发生；低比转速泵流道狭长， 对汽蚀汽泡的容纳能力弱，其汽蚀特性曲线是急速下降的。根据以上分析可知低比转 速泵存在4 个难点：提高泵效率，消除性能曲线驼峰，解决大流量运行易过载，优良 汽蚀性能设计。围绕上述问题，近2 0 年来国内许多大专院校和科研单位的技术人员 都对低比转速泵进行了大量而卓有成效的研究工作，使泵的理论、设计和制造达到了 新的水平1 1 4 j 。 根据电厂的特殊要求，所设计的疏水泵是卧式单级两端支承式低比转速离心泵， 壳体适用于输送高温高压液体。冷却腔和泵盖分开铸造，轴封采用填料也可用机械 密封。泵两端是同样大小的轴承体，采用滚动轴承。轴承体上有冷却腔，可通冷却 水。检修方便，不拆卸吸入和排出管路就能拆出叶轮、轴承、轴封等。由于疏水温 度高，对泵体和轴承冷却提出了更高的要求，为此，设计出全新的冷却系统。特别 是机械密封的冷却，因其与腔体相通，需要较高压力的冷却水，在疏水泵出口处取 冷却水可以满足压力要求，但由于所取冷却水为疏水，温度过高，不能起到冷却效 果，故采用冷却器将疏水冷却后再冲洗机械密封，为机械密封冷却。图1 3 为疏水泵 结构示意图，该产品可用于输送2 0 0 的高温疏水。 图1 3疏水泵结构及冷却系统示意图 1 3 c f d 技术在叶轮内流场计算的研究进展 自从1 6 8 7 年牛顿定律公布，直到2 0 世纪5 0 年代初，研究流体运动规律的主要 方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简 单流动模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗费较大，而后者对于较复杂的非 线性流动现象目前还无能为力。2 0 世纪6 0 年代，飞速发展起来的计算流体动力学 4 江苏大学工程硕士学位论文 ( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 为实验研究和理论研究都起到了促进作用， 也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。计算流体 力学涉及经典流体力学、计算方法、数值分析、程序编制和资料处理等学科，它的 出现标志着工程流体力学发展的新阶段。实验研究、理论分析方法和计算流体力学 的数值模拟已经成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。 基于牛顿力学的流体运动规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒 定律为基础的【1 5 l 。这些基本定律可由数学方程组来描述。c f d 技术研究重点是采用 数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程。c f d 有三个研究层 次：( 1 ) 基本数值方法：( 2 ) 数值计算与试验相辅相成，相互融合；( 3 ) 解决实际 工程问题。目前，c f d 主要处于第二个研究层次，运用准确可靠的数学方法，数值 模拟可以减少叶轮机械设计中的实验次数，节省丌发费用，缩短研制周期，增强产 品竞争力。在实验手段还不十分完善的今天，采用c f d 方法来模拟离心泵叶轮的内 流特点，从而进行叶轮的造型和设计是现代泵技术的重要研究方法【1 6 l 。 近几十年来，流体数值计算有了很大发展，取得了丰富的成果【1 7 】。进入2 0 世纪 8 0 年代后，湍流模型不断完善，三维湍流的数学模型已进入实用阶段。9 0 年代后， 集成的商业c f d 流体计算软件得到广泛应用，使流体数值计算在更大的范围内快速 发展，一些较复杂的旋转机械内流问题已经取得了较满意的结果。随着高速巨型并 行计算机的出现，计算方法的不断创新，计算流体力学更有了同新月异的进展，成 为当今最活跃的研究领域之一1 1 8 l 。 将数值方法同日i 处理、后处理程序组合在一起，就形成了能够解决不同流动问 题的专用软件或商用c f d 软件。c f d 软件使许多不擅长c f d 的其他专业研究人员 能够轻松地进行流动的数值计算，并且能够使研究人员从繁杂、重复性的程序中解 放出来，以更多的精力投入到考虑所计算流动问题的物理本质，以及边界条件和计 算结果的合理解释等重要方面。自从1 9 8 1 年英国c h a m 公司首先推出求解流动与 传热问题的商用c f d 软件p h o e n i c s 以来，全世界至少已有5 0 余种商用c f d 软件， 在促进c f d 技术的发展应用工业实际中起到了很大的作用【1 9 , 2 0 】。 2 0 世纪9 0 年代开始，随着大容量、高速度计算机的出现和并行化技术的发展， 极大地推动了计算流体力学的发展。大型c f d 软件在计算旋转机械流场方面专业性 不断增强，越来越多的学者开始使用这类软件，结合湍流模型直接求解雷诺时均方 程，达到计算离心泵叶轮内部流动的目的。李文广【2 1 l 运用p h o e n i c s 软件计算离心 泵叶轮内部的三维湍流，并把计算结果与l d v 的测量结果进行了对比；唐辉、何枫 5 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 l 等人用f l u e n t 进行离心泵内流场的数值模拟。这些研究为推动c f d 软件在离 心泵叶轮内流数值计算中的应用积累了经验。 对汽蚀现象发生时空泡溃灭的研究始于1 9 1 7 年r a y l e i g h 提出的空泡运动模型， 以及1 9 4 9 年p l e s s e t l 2 3j 建立的不可压缩粘性流体的r a y l e i g h p l e s s e t 方程。近年来，众 多学者通过应用c f d ( 计算流体动力学) 技术对汽蚀的机理和结构做了大量的研究。 当自订汽蚀的数值模拟研究主要有两个方向：一是从汽泡的角度研究汽蚀发生的机理； 另一是从宏观的角度分析汽蚀存在对流场的影响【2 4 1 。宏观角度研究汽蚀现象主要有 b r e w e r 和k i n n a s ( 1 9 9 5 ) 以及p e l l p n e 和p e a l l a t ( 1 9 9 5 ) 1 2 5 j 采用非线性的奇点法预测了 二维和三维翼型上的局部汽蚀。h i r s c h i r ( 1 9 9 7 ) 2 6 1 提出的基于三维欧拉法的汽蚀区域 预测。d f d el a n g 和gj d eb r u i n ( 1 9 9 8 ) 1 2 7 j 在二维势流中模拟了非定常的汽蚀 流动，预测了二维汽蚀发生发展。在近几十年中，预测汽蚀的模型己被精确、成功 地应用到稳定流的单两相流中( d u p o n t 和a v e l l a n ，1 9 9 1 ；f a v r e 等，1 9 8 7 ；l e m o n n i e r 和r o w e ，1 9 9 8 ；u h l m a n ，1 9 8 3 ，u k o n ，1 9 8 0 ) 1 2 8 1 和不稳定流中( d e l a n n y ，1 9 8 9 ； d e l a n n o y 和k u e n y ，1 9 9 0 ；k u b o t a l 2 9 l 等人，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ) 。在同时期，一些建立在势能、 $ 1 $ 2 、和欧拉方程基础上的三相流模型也发展和应用起来。商业c f d 软件在汽蚀领 域的应用十分广泛，其中忡d u p o n t 和t o m 0 3 x 】s 1 1 io k a m u r a ( 2 0 0 3 ) 1 3 0 j 对现有几种商 业c f d 软件在工业上预测汽蚀结果进行了比较。 1 4 本文研究的主要内容和意义 利用现有的泵c a d 设计软件，在相同的工作状态时能设计出4 种具有不同长短叶 片形式叶轮的离心泵模型，运用c f d 技术对叶轮内三维流场进行数值模拟，根据静压 分布判断四种模型汽蚀性能的优劣。在分析研究离心泵内部流动特性和泵水力结构 参数对性能影响规律的基础上，通过对离心泵内部流场进行网格划分并对实际离心 泵边界条件的简化，利用流体力学c f d 软件对低比速离心泵叶轮内部三维不可压湍流 场进行数值模拟。最后通过汽蚀试验判断c f d 技术在改善汽蚀性能设计上的可行性。 1 利用p r o e 三维实体造型软件进行叶轮实体造型工作，在造型过程中，根据后 续计算的实际要求，将叶轮构造成具有周期性边界的单流道形式。 2 在数值模拟的前处理工作中，将p r o e 造型的叶轮实体导入g a m b i t 生成流动 区域，再利用非结构网格对流动区域进行网格划分，并指定边界类型。结合c f d 软 件对所设计的4 种叶轮在相同的设计工况下进行三维不可压湍流场的数值模拟。 3 根据c f d 的计算结果，对4 种叶轮流道内压力和速度分布进行分析，兼顾效 6 江苏大学工程硕士学位论文 率因素，判断不同模型汽蚀性能的优劣。 4 对c f d 方法设计的四种叶轮进行泵能量性能和汽蚀性能试验，对c f d 计算结果 进行验证，通过计算结果与试验数据综合对比分析，表明c f d 在改善低比速疏水泵汽 蚀性能方面具有指导意义。 采用疏水泵的电厂回热系统，需要用与加热器同等数量的疏水泵。由于工作介 质疏水具有高温度和高压力的特点，很容易造成汽蚀现象的产生【9 1 。汽蚀发生时离心 泵性能会下降，大修周期和使用寿命也会缩短，严重时会产生叶片断裂或外壳穿孔 等重大事故。 通常情况，在给定的工况下，可以设计出多种在结构上存在微小差异的离心泵， 要判断每一种泵汽蚀性能的好坏，就要分别做汽蚀性能试验，这样才能选择出最优 化的离心泵设计模型。但是，由于做汽蚀试验具有周期长、费用昂贵等缺点，若能 建立离心泵的结构与汽蚀性能之问关系，已知结构即可判断汽蚀性能，必将在离心 泵设计领域起到重要作用，对促进整个行业发展会产生深远的影响。 目前采用商用c f d 软件解决工程流动问题是计算流体力学的发展趋势，许多专 家和科研人员已经丌始将c f d 软件应用于流体数值计算，但在离心泵改善汽蚀性能 方面的应用还很少见，特别是叶轮内部流场的参数变化对汽蚀的影响还处于探索阶 段，这方面的资料仍十分有限。因此，本文尝试应用商业c f d 软件对低比速离心泵 叶轮内进行三维湍流数值计算，通过计算结果与试验数据比较考察软件计算离心泵 叶轮内部流动判断汽蚀性能的可行性和准确性。 研究成果可用于指导低比速离心泵生产企业的产品设计，使得达到所需汽蚀要 求而效率变化在很小的范围内。同时，为进一步开发计算机优化设计软件提供参考。 7 江苏大学工程硕士学位论文 第二章低比转数疏水泵设计方法 2 1低比转数疏水泵叶轮主要结构参数的确定 2 1 1 泵进口直径和泵出口直径 泵进口直径也叫泵吸入口径，是指泵吸入法兰处管的内径。吸入口径由合理的 进口流速确定。泵的进口流速一般为3 m s 左右，从制造经济性考虑，大型泵的流速 取大些，以减小泵的体积，提高过流能力i 从提高汽蚀性能考虑，应取较大的进口 直径，以减小流速。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系列于表2 1 。对汽蚀性 能要求高的泵，在吸入口径小于2 5 0 r a m 时，可取吸入口流速v 。= 1 o 1 8 m s ：在吸 入口径大于2 5 0 r a m 时，可取v ，- - 1 4 2 2 m s 。选定吸入口流速后，按下式确定d ，。 卟溉 ( 2 - 1 ) 吸入u 径( m m ) 4 05 05 5 8 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 04 0 0 流速( m s ) 1 3 7 51 7 72 12 7 6 3 5 3 2 8 32 6 52 8 3 单级泉 流量( m ) 6 2 51 2 52 55 01 0 01 8 04 0 05 0 0 流速( m s ) 1 3 7 51 7 72 12 22 32 4 42 4 8 2 5 4 2 8 43 4 2 多级袋 流量( m )6 2 51 2 5 2 54 6 8 51 5 52 8 04 5 0 7 2 01 5 0 0 泵出口直径见也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程泵， 排出口径可与吸入口径相同；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可 取排出口径小于吸入口径。一般按下式取泵出口直径。 d d = ( 1 - 0 7 ) d ， ( 2 2 ) 2 1 2 叶轮进口直径和出口直径 叶轮进口直径用d ，表示。因为有的叶轮由轮毂( 穿轴叶轮) ，有的叶轮没有轮 毂( 悬臂式叶轮) ，为研究问题中排除轮毂的影响，考虑一般情况，引入叶轮进口当 量直径d 。以d o 为直径的圆面积等于叶轮进口去掉轮毂的有效面积，即 堕；堕二空盘 ( 2 3 ) 8 江苏大学工程硕士学位论文 d o = k o 摆 ( 2 _ 4 ) d j = 4 0 0 + d ； ( 2 5 ) 式中 q 一泵的流量( m ： s ) n 泵转速( r m i n ) k o - - 系数，根据统计资料选取： 主要考虑效率 k o = 3 5 4 0 兼顾效率和汽蚀 k o = 4 0 - 一4 5 主要考虑汽蚀 k o - - 4 5 5 5 叶轮出口直径用d ，表示。确定公式如下 d 2 = 摆 ( 2 - 6 ) 一三 式中 k d 2 - - 系数，z2 ( 9 3 5 9 6 ) 志2 2 1 3 叶片数的选择 在低比转数离心泵的设计中，叶片数的选择十分重要，叶片数的多少对泵的流 量、扬程、效率等都有较大的影响。低比转数离心泵叶轮的表面摩擦损失与总损失 之比随着比转数的减小而增大，因此，要提高低比转数离心泵的性能，减小叶轮的 摩擦损失是主要的。 统计表明，对于n 。= 2 5 5 5 的泵，叶片数取4 6 片，通常取5 片。当然，叶片 数的多少与6 ：、：及包角驴的大小有关。对于包角伊，叶片数少的包角驴可取大些， 叶片数多时，驴可取小一些。在低比转数范围内，z 可取的大一些。 2 1 4 叶片进口角的选择 叶轮叶片进口液流角可由计算得出，所以叶片进日角的选取问题实质上是一个 冲角属的选取问题。最小的选取必须按泵工作在大流量时不产生汽蚀为依据，最大 a p , 选取仍以不超过1 5 。为宜。目前一般泵给出的大流量点为1 2 q 刚这就是说，至 少在流量为1 2 q 印时不应该出现负冲角。为缩小属的选取范围，需要先分别计算出 1 2q 。和0 9 q 。时两种工况下的叶轮叶片进口液流角卢。曲及岛一，然后配合包角妒 的优选，在局曲到反。范围内选取一个合适的展，作为叶片的进口安放角d 。 9 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 离心泵复合叶轮的设计 2 2 1 复合叶轮设计理论 离心泵中的汽蚀现象几乎都产生在叶轮的进口处，由于液体在整个吸入流道上 的压力是连续变化的，而在叶轮叶片进口前的压力达到最低值。根据泵本身的汽蚀 余量的基本公式可以看出，汽蚀余量值与叶片进口前后的相对速度比值有关，说明 泵本身的汽蚀余量n p s h r 与泵进口部分的运动参数( 1 ) d 、w d 、w k 、) 密切相关，而这 些运动参数在一定流量下又与泵进e l 处的几何形状有关，如叶轮进i s l 直径d f 、进1 2 1 系数杨、进口轴面速度系数和叶片进口安放角等参数有关。因此要想提高离心 泵的汽蚀性能，首先要确定叶轮进口部分的几何尺寸及叶片的形状位置。叶轮进口 部分的结构尺寸主要是指叶轮进口处的直径和过流面积的大小，而叶片的设计主要 是指叶片数的选择、叶片安放角度和叶片进口位置及形状的确定。 传统的低比转速泵设计思想是采用较多的叶片数，而近年来的研究表明，采用 复合叶轮设计方法，即将含有偶数叶片数的离心泵叶轮设计为长短叶片间隔的方式， 可以进一步提高低比数离心泵的能量性能和汽蚀性能。复合叶轮设计的目的是改善 离心泵叶轮和泵体内的速度和压力分布，以提高泵的性能；其依据是叶轮内速度和 压力分布随叶轮流道形状和叶片形状而变化。 复合叶轮设计法是将长短叶片间隔布置，一般短叶片的径向长度为长叶片的2 乃 左右或( 1 2 一3 4 ) d 2 ，短叶片分布圆直径为( 0 - 4 0 6 ) d 2 。该法是一种提高泵效率的设 计方法，依据叶轮内速度和压力分布随叶轮流道形状和叶片而变化，设计出具有优 良水力性能的泵。 由于在叶片出口附近易产生脱流和边界层分离，在该部位添加短叶片，就会对 吸力面出口附近的液流起到加功作用，有效防止脱流产生，改善叶轮流道内的液流 扩散程度、稳定液流在叶轮内的流动；短叶片增加后，还增大了有限叶片数修j 下系 数，有助于提高扬程，并减小进口的排挤和冲击，降低了进口的动压降。因此采用 复合叶轮是设计高性能低比速离心泵的有效途径之一。由正交试验得到了短叶片偏 置的最优方案为：偏置度为0 4 ，偏转角为3 1 0 。，进口直径为( o 6 o 7 ) ) 2 ，短叶 片与i j 后盖板固定。 短叶片偏置设计的目的是为了改善离心泵叶轮和泵体内的速度与压力分布，以 提高泵的性能和效率，主要措施是在两相邻长叶片中间设置超短叶片，并向长叶片 背面偏置。短叶片偏置设计最大的弊端就是增大了铸造工艺的难度。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 2 短叶片偏置设计几何参数的确定 1 ) 叶片数z 叶轮叶片数的多少对泵的流量、扬程、效率和汽蚀性能都有较大影响。在低比 转速泵中，叶轮摩擦损失对性能的影响很大。因此，要提高低比转速泵的性能，减 少叶轮的摩擦损失是首要考虑的问题。由于叶轮的摩擦损失与h ；dj 成讵比，所以， 减少叶轮的“，d ，非常必要。根据以往的设计经验，大多数用增加叶片数来减少d ， 但也造成叶片进口堵塞、叶轮内排挤严重等现象，同时，过多的叶片数也会导致叶 轮中出现脱流现象，产生二次回流，造成出口损失大，效率低。 根据近年来研究成果的数据统计，对于长叶片n 。= 2 5 - - - 5 5 的泵，为了减小摩擦面 积和叶片进口堵塞，叶片数应尽量少，通常选4 , - - , 6 片，比转速越大，z 也取范围内 的大值。当然，叶片数的多少也与厶2 、夕：以及包角驴的大小有关。对于包角驴，叶 片数少的驴可取大一些，叶片数多时妒可取小一些。叶片数的减少，使流道通畅，v 。 下降，从而使w 减小，叶轮中的水力损失，甚至由速度减至所造成的能量损 失都减小，有利于汽蚀性能的改善。 2 ) 短叶片位置 短叶片的位置主要包括偏置角度和进口位置两个方面，这两个方面对泵性能都 有很大的影响。所谓短叶片偏置是指，将短叶片进口边适当向长叶片背面偏移，以 此来改善叶轮及泵体内的水力性能。短叶片偏置后，在离心叶轮内，由于逆向压力 梯度的作用，使壁面边界层从进口到出口不断增厚，在离心力和哥氏力的作用下产 生二次流。短叶片向长叶片负压面偏置能有效的阻止二次流的产生和发展，同时由 于长短叶片组成的流道变短，扩散现象减小，不易产生二次流和形成尾流区。 短叶片进口位置的选择对汽蚀性能有很大影响，如果进口位置靠前，排挤现象 严重，在进口处的流速变大，导致静压降低，会出现汽蚀现象；如果位置靠后，又 造成叶轮内部流体因惯性产生轴向的旋涡就会加剧，也不利于汽蚀性能的提高。因 此，应根据具体的运行情况，做出恰当的选择。 2 3 提高汽蚀性能的设计方法 2 3 1 离心泵汽蚀基本理论 汽蚀破坏了流体流动稳定性，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。 当泵内某处的压力降低到低于该温度下的饱和蒸汽压力，则该液体中就有汽泡产生， 江苏大学工程硕士学位论文 汽泡中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。同时溶解于水中的气体也 会析出。当汽泡进入压力较低的区域时，就丌始增长并变为较大的汽蚀汽泡，然后 分离出来的蒸汽与气体的气泡，被流动液体运送到高于临界值的区域，由于汽泡中 蒸汽的凝结，在该处迅速破灭消失( 此时延续的时间t 0 0 0 1 秒) ，同时伴随有压力 过度升高，这样，液流中就形成了充满着运动汽泡的狭小汽蚀区。 从发生汽蚀的观点来看，临界压力取决于液体的物理性质，同时根据液体的状 态，呵以在很大的范围内变化。但是，在同水力机械汽蚀工况研究有关的实际计算 中，却常常取给定温度下的液体饱和汽化压力n 作为汽蚀初生的临界压力。引起汽 蚀发生的压力降，可以由各种原因造成，并且根据运转条件和通流部分的结构特点， 这种压力降可以是局部的或者是全面的【1 1 】。 在液体流经有局部收缩的文丘罩管时【3 2 1 ，如图2 1 a 所示，可以很好地显示汽蚀 区的形成。增大收缩截面上的流速，就会减小该处的静压力。因此，逐渐增加液体 的流量，当流速足够大的时候，会使收缩截面上的压力降低到临界值，并从而发生 汽蚀。在被液体绕流的翼型上所发生的汽蚀，如图2 - 1 b 是另一个典型示例。由流线 的形状的变化引起翼型背面a 点区压力的降低，会导致汽蚀区形成。汽蚀区的长度 与未受扰动液流中的压力国和速度翼型的形状以及冲角有关。以上两示例中， 汽蚀区都紧靠液流绕流的部件表面，通常把这种形式的汽蚀称为表面汽蚀。在远离 绕流表面的地方也可能形成宽广的汽蚀区。与表面汽蚀不同，这种汽蚀可以称为脱 流汽蚀。造成脱流汽蚀的原因是自由旋涡或涡索或涡层，它们是由于液流绕流翼型 的脱流或不同速度的液流湍流混合时，在交界面上形成的。汽蚀发生在旋涡内部的 可能性，取决于液体在旋涡中的运动特点。 p 进口断面收缩断面出1 ：2 断面 ： 0 v o f j 1 a ) 文丘里管中的压力分布与汽蚀区形成 b ) 沿翼型表面的压力分布和汽蚀区形成 图2 - 1 液体中汽蚀区的形成 在绝大多数情况下，汽蚀还伴随着材料表面的破坏。在这些表面上存在着汽蚀 汽泡。这种破坏称为汽蚀侵蚀，这是一种最危险的汽蚀影响。由于汽蚀侵蚀引起的 水力机械工作构件的机械损坏，在较短时期后可以使机器难于正常运转，甚至达到 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 机器不能工作的程度1 1 。 汽蚀对水力机械工作的影响不是固定不变的，这种影响同汽蚀的发展阶段有关。 把汽蚀的发展过程划分为不同阶段，在一定程度上是有条件的，可是，通常把它们 分为初生汽蚀、部分发展汽蚀和完全发展汽蚀三种【3 。 离心泵在运转中，若其过流部分的局部区域( 通常是叶轮叶片进口稍后的某处) ， 因为某种原因，抽送液体的绝对压力下降到当时温度下的汽化压力时，液体便在该 处开始汽化，产生蒸汽并形成气泡。这些气泡随着液体向前流动，至某高压处时， 气泡周围的高压液体，致使气泡急剧地缩小以至破裂( 凝结) 。在气泡凝结的同时， 液体质点将以高速填充空穴，发生相互撞击而形成水击。这种现象发生在固体壁面 上将使过流部件受到侵蚀破坏。上述产生气泡和气泡破裂使过流部件