（流体机械及工程专业论文）多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 旋喷泵是一种新型极低比转速离心泵，它流量小、扬程高、结构简单紧凑、 维护方便、效率较其他常见低比转速泵高、流量特性曲线平稳光滑。主要应用于 输送炭黑、食品行业冲洗系统以及油田高压注水等领域。由于国内对于旋喷泵的 研究起步较晚，研究不够深入全面，尤其是对于主要过流部件一集流管和转子腔 的研究很少，导致该类型泵的效率还较低，应用较少。 本文在综合分析国内外旋喷泵研究历史和现状的基础上，对多级旋喷泵的水 力设计尤其是集流管和转子腔的水力设计进行了探讨，设计出了不同形式的旋喷 泵集流管模型，利用p r o e 对旋喷泵各过流部件进行三维造型。并利用a n s y s 软 件对旋喷泵内部非定常流场进行数值计算。根据数值计算结果，分析其内部流动 规律及影响因素，并得到了性能较好的模型泵。本文的主要内容包括以下几个方 面： 1 、简要介绍了旋喷泵的工作原理、特点及国内外的研究发展概况，对多级旋 喷泵的设计理论进行探讨，主要集中在集流管和转子腔的水力设计。并利用p r o e 软件进行各旋喷泵各过流部件的三维造型。 2 、利用a n s y s 提供的网格划分软件i c e m 进行网格划分，利用c f x 对旋喷 泵内部全流场进行了大涡数值模拟。通过对集流管的数值模拟结果分析，得出了 集流管内部流动的速度场和压力场的分布，比较了各种模型的优劣，得出如下结 论：集流管的第一转弯处容易产生气蚀；集流管的扩散角一般在5 。以内；集流管 扩散段长度及方式对其内部压力分布有较大影响。 3 、对性能较好的两级模型泵内部的非定常流场进行数值模拟，根据结果分析 了两级旋喷泵叶轮、转子腔和集流管的压力场和速度场，结果表明，第一级和第 二级泵内压力和速度分布相差不大，担任减速增压和连接作用的第一级集流管满 足效率要求。对不同工况下多级旋喷泵的性能进行模拟分析，绘制出多级旋喷泵 的特性曲线，为多级旋喷泵的研究提供参考。 4 、利用n a v i e r - s t o k e s 方程、两相七一s 湍流模型和欧拉非均相流模型，对两级 旋喷泵内部两相流动进行了非定常数值模拟，通过对模拟结果的研究，详细分析 了两相流工况下扬程与空泡平均直径、进口处的空泡体积分数之间的内在联系， 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 并对旋喷泵的瞬态性能进行了有效预测。 关键词：多级旋喷泵，大涡模拟，集流管，两相流 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了r t h er o t o - j e tp u m pi san e wk i n do fc e n t r i f u g a lp u m pw i t hv e r yl o ws p e c i f i cs p e e d i th a sl o wf l o w r a t e ，h i g h - h e a d ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，c h e a pm a i n t e n a n c e ，h i g h e re f f i c i e n c y t h a no t h e rl o ws p e c i f i cs p e e dp u m pa n ds m o o t hp e r f o r m a n c ec u r v e s i tm a i n l ya p p l i e d i nc a r b o nb l a c k , w a s h i n gs y s t e mi nf o o di n d u s t r y , h i g h - p r e s s u r ew a t e ri n j e c t i o ni no n f i e l d ，a n ds oo n b e c a u s es t a r tr e l a t i v e l yl a t ei nf a s t e n n i n gt h er e s e a r c ho fg u s h i n go u t t h ep u m pa th o m e ，i ti sn o td e e pe n o u g ha n do v e r a l lt os t u d y , e s p e c i a l l yo ft h ec o l l e c t i n g p i p ea n dr o t a t i n gc a s e ，i ti ss t i l lr e l a t i v e l yl o w t oc a u s et h ee f f i c i e n c yo ft h i st y p ep u m p a n di ti sl e s st ou s e b a s e do nt h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so ft h er o t o - j e tp u m pr e s e a r c h ，t h ed e s i g n o fm u l t i s t a g er o t o - j e tp u m pw a se x p l o r e d ，e s p e c i a l l yi n h y d r a u l i cd e s i g no ft h e c o l l e c t i n gp i p ea n dr o t a t i n gc a s e d i f f e r e n tm o d e l so fr o t o - j e tp u m pw e r ed e s i g n e d ，a n d t h ep h y s i c a lm o d e l so ft h ec o m p o n e n t so ft h em o d e l sw e r es e tu pb yp r o e b yu s i n g a n s y s ，t h eu n s t e a d yf l o wf i e l di nt h er o t o - j e tp u m pw a sc a l c u l a t e d t h o u g ht h e c o m p a r i s o na n a l y s i so ft h ef l o wd i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r s ，t h em o d e lt h a th a s b e t t e rp e r f o r m a n c ew a sf o u n d ，t h e nt h em o d e lp u m pw a s p r o d u c e d e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ep u m pw a sd o n et oc o m p a r et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r i n c l u d e s ： 1 t h ew o r kp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o n si nh o m ea n d a b r o a dw e r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h ed e s i g nt h e s i so ft h em u l t i s t a g er o t o - j e tp u m pw a s e x p l o r e d ，e s p e c i a l l yi nh y d r a u l i cd e s i g no ft h ec o l l e c t i n gp i p ea n dr o t a t i n gc a s e t h e p h y s i c a lm o d e lo f t h ec o m p o n e n t so ft h ep u m pw a ss e tu p b yp r o e 2 b yu s i n ga n s y si c e mt od i v i d et h em e s h ，t h ef l o wf i e l di nt h em u l t i s t a g e r o t o - j e tp u m pw a sc a l c u l a t e d 丽t hl e st u r b u l e n c em o d e li nc f x a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，d i f f u s es e g m e n to fc o l l e c t i n gp i p eo nt h ep u m pp e r f o r m a n c ew e r e a n a l y z e d s ot h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ei nt h ec o l l e c t i n gp i p ei s s h o w nt ou sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w ec a nc o m p a r et h em o d e l st h r o u g ha n a l y s i s i n g t h ev e l o c i 哆a n dp r e s s u r e w eg e tt h a t ：c a v i t a t i o ni sl i a b l et oa p p e a ri nt h ef i r s te l b o w t h ea n g l eo ff l a r ei s a l w a y sl e s st h a n5 t h es h a p ea n dt h ed i f f u s i o nf o r mo ft h e p i c k - u p s i n l e ti n f l u e n c et h ei n t e m a lp r e s s u r em u c h 3 a n a l y s i sw a sa c h i e v e dt ot h eu n s t e a d yf l o wf i e l di nt h eb e t t e rm o d e lp u m p 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ei nt h e i m p e l l e r , c o l l e c t i n gp i p ea n dr o t a t i n g c a s ew e r ea n a l y z e d t h er e s d t ss h o w ：t h e d i s t r i b u t i o no ft h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ei n t h ef i r s ta n ds e c o n d s t a g eo ft h ep u m p d i f f e r e dl i t t l e a st h er o l eo fd e c e l e r a t e ，b o o s t e ra n dc o n n e c t i o n ，t h ec o l l e c t i n gp i p ei nt h e f i r s t - s t a g ec a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fe f f i c i e n c y a n a l y s i sw a sa c h i e v e dt ot h eu n s t e a d y f l o wf i e l di n t h e m u l t i s t a g e r o t o j e t p u m p u n d e r1 0 c o n d i t i o n s ，d r a w i n g o u t t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v et op r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo fr o t o - j e tp u m p 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o p h a s el i q u i d - g a sf l o ww e r ec o n d u c t e di nt h e m u l t i s t a g er o t o - j e tp u m pb yc a l c u l a t i o ne u l e r i a n - e u l e r i a ni n h o m o g e n e o u sm o d e la n d n a v i e r - s t o k e se q u a t i o nw i t hs t a n d a r dk 一占t u r b u l e n c em o d e l t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h eh e a da n da v e r a g ed i a m e t e ro fb u b b l ea n d g a sv o l u m ef r a c t i o no fi n l e t w e r eo p e n e do u tr e s p e c t i v e l y t h e nt h eu n s t e a d yp e r f o r m a n c ew a sw e l lp r e d i c t e d k e yw o r d s ：m u l t i s t a g er o t o - j e tp u m p ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，c o l l e c t i n gp i p e ， t w o - p h a s ef l o w i v ：、 江苏大学硕士学位论文 一一 符号表 6 ：宽度，m m d ：直径，m m e ：相对误差， f i ：截面面积，m m 2 g ：重力加速度，m s 2 日：扬程，m 鲰分离室高度，m m h t ：突台高度，m m ，：湍流强度， k ：湍动能，m 2 s 2 ：水力直径，m h 湍流长度尺度，m 厅：转速，r m i n ：比转速 尸：功率，w 如：泵进口总压，p a ：泵出口总压，p a q ：流量，m 3 h r e o n ：雷诺数 z ：整周期，s t ：叶片通过周期，s u ：速度矢量，m s 口：x 方向速度，m s ，：y 方向速度，m s w ：z 方向速度，m s ：轴面速度，m s z ：叶片数 n ：分离室螺旋角，度 ：气体相体积分数， ：液体相体积分数， ：湍动能耗散率，m 2 s 3 彳：效率 铂：水力效率 枷：容积效率 ：机械效率 | f f ：动力粘度，p a s 口：分离室中心角，度 仇：突台直径，m m y b ：叶片包角，度 p ：密度，k g m 3 p m ：气液混合密度，k g m 3 邝：气相密度，k g m 3 伪：液相密度，k g m 3 ：角速度，r a d s v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着航空航天、石油、化工、制药、冶金以及轻工业的发展，对小流量高扬 程泵的需求越来越大。目前我国生产的泵类产品主要有离心泵、混流泵、轴流泵、 旋涡泵和往复泵等，虽然已有较为广泛的型谱覆盖范围，但是在小流量、高扬程 的范围内，仍没有较为理想的产品。通常的工业离心泵不能适用于小流量、高扬 程的情况，目前用于小流量高扬程介质输送的泵主要有旋涡泵、高速离心泵、往 复泵和多级离心泵等，这些泵大多体积庞大笨重、易损件多、维修费用高且价格 昂贵。而旋喷泵流量小、扬程高、结构简单紧凑、维修方便、效率较其他常见低 比转速泵高、流量特性曲线平稳，这些优越性满足了航空航天、石油、化工、制 药、冶金及轻工业的发展中对泵性能提出的要求，收到越来越多用户的青睐。例 如，碳黑是一种重要的工业添加剂，它被广泛地应用于橡胶制品的生产中。由于生 产碳黑原料的特殊性，对输送原料的泵，需要保温、耐密封外，其压力必须达到 2 8 - 4 2 m p a 指标，此时旋喷泵就成为首选对象。目前旋喷泵已经成为汽车制造业 钻孔冲洗系统输液泵、碳黑生产线供料泵的首选设备，并已成为化学工厂深井废 料处理领域、食品加工c i p 高压清洗系统、制造业车间清洗系统以及造纸工业高 压清洗的标配设备。 旋喷泵是一种完全不同于现有泵种结构的新品种泵，它利用皮托管的原理， 成功的避免了圆盘摩擦损失，同时结构上突破了传统不见得束缚，将转子腔和集 流管组成传统意义上的压水室，叶轮与转子腔同步转动。同时机械密封处于低压 区，有力的减少了磨损，较好的解决了介质泄漏问题。旋喷泵结构简单紧凑，维 修费用较低，使用寿命长，流动稳定，液体压力输出脉动很小，是值得进行研究 并在相关行业中推广应用的一种新型泵。本文将对两级旋喷泵过流部件的水力设 计进行研究，通过数值模拟分析两级旋喷泵内部流动情况，探索集流管设计和气 液两相流动情况。 1 2 旋喷泵的工作原理及特点 旋喷泵是一种小流量、高扬程的极低比转速离心泵，比转速一般在3 0 以下。 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 这种泵的主要工作部件为一个由叶轮和同步旋转的转子腔组成的转子和一个静止 的集流管。流体从进口沿轴向进入叶轮，通过叶轮时在离心力的作用下获得能量 并轴向进入转子腔，在转子腔的内壁处流体速度能达到最大值，静止的集流管收 集该处的流体，并将流体的速度能和在叶轮中获得的能量转化为由泵产生的总扬 程【1 1 。这使得旋喷泵能产生很高的扬程。其结构示意图如图1 1 所示。 i i 械誊j i 臻出管 图1 1 旋喷泵结构原理图 其主要特点主要有以下几个方面【2 】： 1 ) 宽运行范围。旋喷泵可以在其流量。扬程曲线上任意点处安全运行，并且该 泵在小流量工况下运行时对泵本身产生的磨损较小。 2 ) 低转速、高扬程。集流管独特的水力性能使得旋喷泵能在中高速时产生很 高的扬程。与相同半径相同转速的其他离心泵相比，旋喷泵产生的扬程约为其他 离心泵的1 6 倍。 3 ) 密封简单可靠，寿命长。由于旋喷泵仅在低压进口处有机械密封，只需用 静密封，泄漏少，且使用寿命较长。 4 ) 流量扬程特性曲线光滑。与其他低比转速泵相比，旋喷泵流量扬程曲线无 驼峰现象，运行平稳。 5 ) 结构简单紧凑，维护方便。该种泵只有两个基本部件，拆装方便，易于查 找问题和维护。 6 ) 效率比同比转速离心泵高。旋喷泵叶轮和转子腔同步旋转，成功避免了在 低比转速泵中占损失比例较大的圆盘摩擦损失，使得其效率比一般低比转速离心 2 江苏大学硕士学位论文 泵的效率要高。 此外，旋喷泵还可以通过改变转速或改变集流管的进口直径来改变泵的扬程。 旋喷泵的上述特点使得它在众多的行业中得到应用，如：石化行业的油田高压注 水；化工过程中输送芳香烃；食品加工业中用于清理系统；为电站锅炉提供高压 用水等。 1 3 旋喷泵国内外发展概况 1 3 1 国外发展概况 国外研究旋喷泵的时间较早，1 8 世纪法国的一位水利工程师亨利皮托发明了 一种后来被称为“皮托管 的测量仪器来测量流体的速度和压力。后来这种皮托 管原理逐渐被推广应用，直到1 9 2 3 年f w k r o g l l 提出了旋喷泵的结构原理，他把 皮托管的原理推广应用于泵的设计上，故称为皮托泵【3 】。 第一台利用皮托管原理研制的泵是开式的，有许多的缺陷，直n - 十世纪二 十年代人们才研制出了闭式皮托泵。第二次世界大战爆发后，德国和英国开始研 究火箭，他们需要一种流量不大但又十分稳定的高扬程泵，于是他们选择了旋喷 泵。随着二战的结束，旋喷泵的研究也被搁浅。直到2 0 世纪6 0 年代，人们发明 了封闭的转轮和封盖后，二者组成了一个径向的旋转叶轮才使得旋喷泵发展起来， 并最终形成了当前的基于皮托管原理的旋喷泵模型。此时，随着经济的不断发展， 众多行业中需要一种可以随意调节流量并能在扬程曲线上全范围工作的性能稳定 的高扬程泵，而旋喷泵能很好地满足这种要求。在这种背景下，旋喷泵的研究开 始加速，在六十年代的美国出现了旋喷泵的专利。到七十年代，k o b e 公司购买了 旋喷泵的专利并生产了第一台商业上的旋喷泵，从此旋喷泵开始走向市场，逐渐 被人们接受。此后七、八十年代国际上出现了一个关于旋喷泵的专利高潮【4 】。目i j 国外的旋喷泵逐渐系列化，如美国w e i r 公司的r 系列，并具有令人较为满意的性 能【5 l 。 3 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 表1 1 国外旋喷泵的发展 年代事1 ；，| ： c h a l l e n g e - c o o k b r o t h e r s 公司获得了基础旋喷泵的专利。 k o b e 公司，b a k e r 国际公司的一个分公司，购买了旋喷泵的专利和生产制造权 k o b e 公司出售了第一代新型设计的旋喷泵r b k o b e 公司发明了八条基丁皮托泵技术的独立泵生产线，并获得了关于皮托泵设 计的3 5 项专利 b a k e r 国际公司将旋喷泵的产品生产线应用到b a k e r 起重系统公司 旋喷泵的一个更小的类型r l l 产生。 b a k e r 国际公司与h u g h e st o o l 公司合并；随后重组后的公司创建了一个新的 分公司：环境技术泵系统。 发明两种新的旋喷泵：一种加大流量的泵：一种立式旋喷泵。立式设计获得了 1 9 9 4 专利，b a k e rh u g h e s 公司将环境技术泵系统，公司卖给了w e i r 集团，一个苏格 兰哥拉斯各的分公司。 1 3 2 国内发展研究现状 在国内，旋喷泵的发展基本上经历了引进消化吸收开发生产这一过 程。我国最早引进旋喷泵是在1 9 8 7 年左右，在炭黑新工艺改造中用于原料油的输 送。引进了美国两台r o s 2 6 6 型旋喷泵投入运行半年后，其运行状况仍然具有 无脉动流动、压力稳定、运转平稳、不需检修、不磨损零件的特点。1 9 8 8 年，龙 兴茂等对旋喷泵作了专题介绍，详细介绍了旋喷泵结构和原理，列出了系列产品 的性能范围和所用的材料，并说明了旋喷泵在小流量高扬程范围内的发展前景【6 l 。 董长善专门对美国贝克休斯公司的旋喷泵进行了介绍，详细列出了贝克休斯公司 生产的3 种旋喷泵的主要参数和主要部件的材料 7 1 。1 9 8 9 年北京化工机械厂开始 对旋喷泵进行调研和试制，1 9 9 2 年通过化工部鉴定。其中有2 台泵在天津炭黑厂 进行了工业性考核试验，使用良好。经过他们的实验验证表明，旋喷泵的扬程和功 率曲线都比较平缓，效率比高速泵要高6 8 。 随着旋喷泵的成功引进，国内开始对旋喷泵的工作原理、结构特点、水力设计 及使用条件等进行研究，取得了一些初步成果。如齐学义通过实际设计和样机试 验，分析了旋喷泵叶轮内部的流动状况，提出了采用类似高速离心泵的长短叶片 相间的复合式叶轮设计方法。增加辅助叶片后，叶轮内的流动得到了改善，同时 4 帆 舰 嗍 鲻 螂 江苏大学硕士学位论文 提高了泵的工作稳定性。在叶轮设计中，他还提出了加大流量的设计方法，提高 了泵在设计工况点的效率。杨军虎、齐学义等还对叶轮内部的流动进行了深入的 研究。他们将旋喷泵叶轮内的流场进行了相对定常流动、无粘、无质量力、s 1 流 面是回转面、叶轮内不产生流动分离的假设，采用任意准正交面的方法来求解旋 喷泵叶轮内的准三维流场。通过求解沿准正交面与s 1 、s 2 流面交线方向的速度梯 度方程和沿流线方向的能量方程求得了旋喷泵叶轮内部的准三元解。通过分析内 部流场得到了叶片工作面速度先减小后增大，叶片背面速度先增大后减小，叶轮 流道中的空间流线从进口到出口逐渐变密阐。如王成木通过旋喷泵水力性能试验， 找出了较为理想的叶轮及集流管的几何形状并推荐了计算旋喷泵扬程及集流管喉 部流速的经验计算方法【9 】o 齐学义等在研究旋喷泵集流管与叶轮匹配及集流管扩散 段损失的基础上，给出了设计集流管水力参数的公式【1 0 l 。 在数值计算方面，田爱民等对旋转喷射泵集流管内三维不可压缩湍流流动进 行了数值模拟，计算结果首次揭示了旋转喷射泵集流管内部的压力、速度以及湍 流动能的分布规律，研究结果可以用于集流管性能预测以及集流管的优化设计【1 1 l 。 程云章等运用k 一占方程对旋喷泵内部三维定常流场进行了数值模拟，并对旋喷泵 内部的能量损失进行了分析【1 2 1 。余慧琼等对旋喷泵内的定常流场进行了模拟，进 行性能预测并与试验结果进行了对比分析f 1 3 1 。 = 1 “一、。 目前，越来越多的工矿企业开始注意旋喷泵的研究。人们在使用了旋喷泵后 开始考虑它的一些实际应用的问题。修宝清提出了增速机构的核算方法，轴的强 度和刚度的核算方法，轴的临界转速的校核方法，轴承核算方法，转子腔强度的 核算方法等【1 4 1 。张宏在总结使用旋喷泵的经验中提到旋喷泵虽然是一种无泄漏泵， 但经常出现泄漏现象，主要是厂家未能按照正常工况使用以及空载启动所致【1 5 】。 集流管早期损坏严重主要是其输送介质未能达到要求。在旋喷泵使用中人们常犯 的一个错误是将泵的压力控制在较低的范围内，实际上旋喷泵要求的工作压力最 好不低于额定压力的二分之二，否则也会造成泵的喘振。 总之，国内对旋喷泵的研究还处于初级阶段，众多的研究都是停留在对样机 或引进泵的改造机型上。当然我们也有了一定的经验和方法，随着国内企业对旋 喷泵使用的逐渐增多，对旋喷泵的研究会越来越深入。 5 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 1 4 应用领域 旋喷泵最初的是在六、七十年代的食品工业和造纸工业中，当时用户需要一 种性能可靠、小流量、高扬程的泵，旋喷泵的可靠的性能和众多设计上的优势使 得它迅速的占领了食品工业和造纸行业的清水泵市场【1 6 】。旋喷泵在这些领域的良 好声誉以及它的强劲的后续发展使得它获得了更大范围的应用。 1 、食品工业 旋喷泵可以随意调节流量和可以在其扬程曲线七的全范围工作的优点使得它 很自然的成为食品行业中心清理系统高压泵的首选。喷枪需要遍布食品加工设备 中，并且根据需要来进行清理。这种持续不断的改变命令的需求就要求泵要在一 个很大的流量范围内运行，旋喷泵恰好可以满足这个要求并目能够在没有命令的 时候以很小的流量运行。这种清理系统在食品加工行业中到处可见，如肉类包装、 酿造、水果和蔬菜的罐头加工、饮料加工。 2 、打浆和造纸制 在造纸工业中，高压喷头往往被用来清理机器上的覆盖物。清除这些覆盖物 是造出高质量纸的很重要的一环，如果在每一步中没有仔细的清理，那些覆盖物 就会形成纸浆残渣，严重影响纸的质量。喷头的流量和压力是可变的，这取决于 所生产的纸的类型和机器的速度。旋喷泵极其适合这种需要不断改变工作要求的 情况。 图1 4 食晶t 业中清理系统 图1 5 造纸业及其他之作业中 3 、石油化： 和石油冶炼 旋喷泵的首次生产就是在7 0 年代术期为了适应美国石油协会6 1 0 号标准一通 用炼制设备离心泵。从那时起，旋喷泵可以通过低转速就可以产生高扬程的特性 在石油化工和冶炼工业中得到了大范围的应用。低压设计的机械密封使得旋喷泵 6 江苏大学硕士学位论文 可以应用到轻烃处理及一些高压处理中，泵本身的承受巨大冲击的能力使得它可 以经受的住低比转速的液体重力所引起的冲击压力。在高压喷射和深井装置应用 中往往需要一个恒定的出流，此时系统压力的改变是整个处理过程发生改变的集 中反应。如果旋喷泵用变频电机来驱动，它就可以满足这些工况的要求。 4 、炭黑制造 炭黑作为橡胶制品的补强剂和染色填充料之一是橡胶工业的必不可少的原 料。它的制造工艺中需要将一种重油，这种油粘性比较大，比重也比较大。同时 还需要加热，如果在输送过程中温度降低，则油的粘度迅速增大，此时泵的输出 功率也需要随之增大。同时输送此原料还需要毫无泄漏。众多的炭黑厂家在使用 了多种泵型以后，最终选择了旋喷泵。旋喷泵的水头比较高，密封好，无泄漏。 它可以变工况运行，运行维护的费用大大降低。 5 、电站 对绝对可靠性的追求已经使得发电行业开始注意到旋喷泵能够满足他们对高 压的要求。旋喷泵往往被用来做锅炉给水泵和降温泵。发电站中常用的汽轮机也 需要一个高压泵来同时控制制燃料和的喷射。燃烧温度是通过喷入带有燃料的高 压水并同时减少n o x 的散发来控制的。 旋喷泵在国外已经有4 0 多年的历史，它已经成为了变流量高压泵的首选。但 在国内关于旋喷泵的研究还比较少，应用范围也比较窄，用量亦很小。随着工业 发展对泵的要求的提高，旋喷泵以其性能稳定、结构简单、维护方便等特点一定 会得到更大范围的应用。 1 5 本文工作 本文在分析旋喷泵发展研究现状的基础上，对旋喷泵过流部件的设计理论进 行了探讨。利用三维造型软件进行两级旋喷泵三维造型，对其内部非定常流场进 行大涡数值模拟，并对其内部气液两相流动进行了初步的探讨。根据数值模拟结 果的对比分析，找到了性能较好的模型泵，制作出性能曲线，进行性能预测。本 文的工作主要有以下几个方面： 1 、查阅、收集相关资料，在此基础上对多级旋喷泵的设计原理和方法进行探 讨，选择合适的设计原理和设计方法，对旋喷泵进行设计。 7 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 2 、根据设计参数，利用三维造型软件p m e 对旋喷泵进行三维造型，运用 a n s y si c e m 对各过流部件进行网格划分，为数值模拟做准备。 3 、运用c f x 对两级旋喷泵内部三维非定常流场进行数值模拟，根据模拟结 果，对比分析集流管扩散段对泵性能的影响，找出最佳集流管造型。为进一步改 进泵结构，减少水力损失，为提高泵效率提供依据。 4 、对两级旋喷泵内部非定常流场的结果进行对比分析，研究第一级和第二级 旋喷泵各个过流部件的压力和速度分布，并计算不同工况下多级旋喷泵的功率、 扬程和效率，绘制出特性曲线，为预测多级旋喷泵的性能提供参考。 5 、分析多级泵两相流动情况，研究不同含气量下泵内压力、速度分布情况和 气液两相输送过程中的流动规律。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章旋喷泵水力设计及三维造型 2 1旋喷泵叶轮的设计理论 2 1 1设计理论 旋喷泵叶轮是一个具有轴向吸入、排出的低比转速离心叶轮，但旋喷泵叶轮 的工作条件不同于一般低比转速离心泵叶轮，1 1 。= 5 1 3 ：由于它没有圆盘摩擦损失， 所以旋喷泵叶轮的设计主要考虑叶片的设计，在满足流量、扬程、汽蚀等指标的 前提下有较高的效率。 由离心泵欧拉方程： q = u - 丝- 2 ( n 2 一v 2 c 留屈) 一u l v m l( 2 1 ) gg 可知，提高离心泵叶轮扬程系数的有效办法是增大叶片出口安放角及，但是 过大的厦将引起流道的严重扩散，容易在叶轮流道内产生脱流，这是低比转速泵 在小流量下工作不稳定的主要原因。现代流场分析和流动测试表明：离心叶轮内 的流动基本上是由相对速度较小的尾迹区和近似无粘性的射流区组成，如图2 1 所 示。由于叶轮流道内的流体受叶片的作用不均匀，靠近叶片工作面侧强而在非工 作面弱，所以在逆向压力梯度的作用下，靠近叶片出口区域非工作面的边界层容 易产生分离，这样使液流在边界层附近产生回流和脱流，形成尾迹区。在回流和 脱流区液流的能量损失很大，当流量较小时，回流和脱流加强，使损失增大。因 而流量扬程曲线存在正斜率上升段。若在叶轮流道内容易产生回流和脱流的部位 增设短叶片，就能改善叶轮流道内的流速分布，如图2 2 所示。由于设计了短叶片， 就使得靠近长叶片出口处非工作面附近的液流受到叶片加功作用，从而有效阻止 了边界层的分离和脱流的产生，同时由于出口总叶片数的增加，就可以采用较大 的出口安放角，因此采用复合叶轮还具有扬程系数高的特点【1 7 1 。 9 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 图2 1 低比转速叶轮流道内流动情况图2 2 复合叶轮内的流动情况 2 1 2 复合叶轮的水力设计 1 、叶轮外径n 的确定1 1 8 1 由于旋喷泵常采用出口角较大的长短叶片相结合型式的叶轮，叶轮的外径及 可依据如下经验公式确定： d 2 = ：6 0 ( g n ) ( 2 - 2 ) z c n t , 注：在心 3 0 ，n = 2 9 0 0 r m i n 时，建议取缈= 0 6 7 2 、 短叶片入口处直径n 的确赳1 9 1 短叶片入口处直径d i 可依相对速度比的准则来确定。文献【1 9 】推荐了在长短叶 片结合的叶轮中，在叶片数较多的情况下确定4 的一个准则。 o 9 善器 1 7 ( 2 - 3 )形职 d f = 0 4 0 6 ( 9 1 + d 2 )( 2 4 ) 式中啊、彤叶片进口、出1 2 1 和短叶片起始处的液流相对速度，m s 3 、叶片出口安放角尾2 0 1 与一般的离心泵不同，再工作状态下，由于转子腔和叶轮一起旋转，从而降 低了相对速度，使圆盘摩擦损失显著降低，泵的特性曲线相对平坦，同时设置短 叶片有效的阻止脱流和二次流的产生，这样旋转喷射泵的出口安放角可以取大些， 以提高扬程系数。根据经验，可取：8 5 0 屈 9 5 0 l o 江苏大学硕士学位论文 ，- 、 嚣 宅 图2 - 3 厦对驼峰性能的影响 4 、叶片数z 设计时考虑到旋喷泵叶轮流道狭长，为保证液流的稳定性和叶片对液体的充 分作用，取复合叶轮进口叶片数z ，为： 4 z 1 8( 2 5 ) 出i z l 叶片数z ，： z f = 场 k = 1 ，2 ，3 ( 2 - 6 ) 5 、叶片进e l 安放角层 、考虑进口安放角层对汽蚀性能的影响，结合设计经验，叶片进口安放角p 11 议- 1 5 0 履 2 5 0 ( 2 7 ) 6 、叶片出i z l 宽度反 旋喷泵由于流量小，故叶片宽度较窄，加之叶轮是轴向出口，所以，整体铸 造几乎是不可能的。因此在工艺上常分别加工轮盘和轮盖，这样有利于保证流道 形状和尺寸，提高水力效率。叶轮的出口宽度建议采用下列公式预估【2 1 】： 嘶3 5 ( 志) ( 鲁) 郇们s o ( 孟) ( 吖 p 印 注：对于极低比转速泵，水力摩擦损失是第二位的，占主导地位的是叶轮的 圆盘摩擦损失。故采用加大流量法设计时，挽取值一般比上述范围大1 0 。3 0 。 7 、短叶片在流道中的位置 为了减小复合叶轮短叶片两边流道内的旋涡损失，应使短叶片两边流道中流 1 1 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 量尽可能相等。据此，设计叶轮时可以取值为： s = 1 3 1 6( 2 - 9 ) 式中：s 为短叶片距背面的周向长度，s ：为短叶片距工作面的周向长度。 8 、叶轮流道有效部分出口与入口面积比【2 2 】 控制相邻两叶片间出、入口面积的变化也就是控制了叶片进出口相对速度的 变化。采用复合叶轮后，流道出口流速变均匀，因此，在保证流道过流面积光滑过渡的 前提下，可以将出、入口面积比值适当放大。依据设计经验，可取： 1 6 e 偈1 8( 2 1 0 ) 式中：e 、互分别为流道出、入口面积。 2 2 旋喷泵集流管的设计理论 集流管是旋喷泵中重要的过流部件，它相当于普通离心泵的压水室，同时外 部又有液体绕流。因此在设计集流管时应考虑如何尽可能将液流的速度能转化为 压力能，以减小管内的水力损失，还要考虑泵腔内旋转液体对静止集流管的绕流 作用，设计合适的集流管外形，使绕流阻力尽量减小。基于上述考虑，本文在进 行集流管水力设计的探讨时也对集流管的外形进行设计，以尽量减少水力损失。 集流管由扩散段、直管段组成，其结构示意图如图2 4 所示。扩散段的作用是 将液体的速度能转化为压力能，以使被输送流体在管路中以最小的速度运动。所 以研究集流管各个参数之问的关系对集流管的设计而言尤为重要。 、t。，。o 图2 4 集流管结构示意图 1 、集流管进口直径西的确定 从旋喷泵的工作原理可知，液体流经旋喷泵的三个部件，即叶轮、转子腔、 集流管。在转子腔中，不考虑液体的粘性时，转子腔表面没有切向力作用于液体， 江苏大学硕士学位论文 液体在转子腔中不能获得能量。所以，旋喷泵的转子腔及集流管不能使液体产生 扬程，旋喷泵的理论扬程就是叶轮产生的理论扬程。即： h t = 三( k ：“：一k ，u i ) ( 2 1 1 ) p 假设液体进入叶轮前没有预旋，则理论扬程为： h 。= 二v , , 2 u 2 ( 2 - 1 3 ) 占 在旋喷泵中，忽略被输送液体的粘性，则液体从叶轮出口到集流管进口之间 能量守恒，液体在泵腔中的圆周速度就是叶轮出口处的圆周速度v ，即集流管的 进口速度。这样集流管进口直径碣，用下式确定： 百口t 2 屹：2q f 仇 ( 2 - 1 4 ) 将式( 2 - 1 4 ) 代入( 2 - 1 3 ) 得： 日，：4 q 下t l t v u 2 ( 2 1 5 ) x d ：g 式( 2 - 1 5 ) 表示t 集流管的特性，它和式( 2 1 3 ) 所表示的叶轮特性曲线的交点就 是旋喷泵的最佳工况点，也就是最高效率点。将式( 2 - 1 5 ) 变形即得到集流管进口直 径与流量之间的关系： d x = ( 2 1 6 ) 从式( 2 - 1 6 ) 知，当扬程一定时，流量大，集流管进口直径大。同样，当流量一 定时，扬程高，集流管进口直径小。这和离心泵蜗壳情况完全一致。 2 、集流管出口直径么 集流管的出口直径以根据标准管道尺寸选取，其值等于泵出1 2 1 直径p d 即 仍= ( 0 7 1 0 ) q 口- 詈 吃= 仇 其中k 是泵进口流速，b 、d d 是泵进、出口直径。 3 、集流管的扩散段长度l 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 为了使集流管能充分利用转子腔中流体的旋转动能，一般应该使管子竖立在 流体的最大圆周速度处，即l 为： 工：譬一面一了d 3 ( 2 - 1 5 ) 4 、集流管的最佳扩散角o f 集流管扩散段流体损失包括进口损失卸，、弯管损失瓴、沿程摩擦损失卸，和 扩散损失瓴，共4 部分，各部分损失分别为： 进口损失： ，= ( 0 5 0 6 ) u 2 缶= 0 2 其中：v 为集流管进口速度 弯管损失： l 图2 5 扩散段示意图 印，= 缶瓦v 2 ( 2 1 6 ) y 2 瓴= 乞 ；z g ( 2 - 1 7 ) 式中 岛= o 2 2 沿程摩擦损失：令 万= 百a 2 一_ 虿d 2 2 其中：a 一扩散段进口面积；如一扩散段出口面积；口一扩散角；k 一扩散段 进口速度；k 一扩散段出口速度； 沿磷擦舭妒8 s i na _ _ ( h 2 ) 善 其中： 丸：华 1 4 江苏大学硕士学位论文 扩散舭 瓴= 七( 1 一丢) 2 丢 式中 忌= s i n 甜 当口2 0 。 集流管的扩散总损失： a p z = 卸j + 卸。+ 卸y + 瓴 衄=壶( 1 一小( 1 一玎 2 罢( 2 - 1 9 ) 2 9 上式即为扩散段的总损失和扩散段尺寸之间的关系式。当扩散段的进出口直 径一定时，扩散段的摩擦损失随扩散角口增大而减小，但扩散损失也随之增加。 因此扩散管的总损失应有一个极值，即有一个最佳扩散角口 堂堕：o 整理得： 鑫- a c o s ( 1 一卦c o s ( 1 一 ) 2 = 。 百1 6 万d 2 2 - 砰d 1 2 ：c o j s - - ( 2 2 0 ) 允畋2 + 面2 s i n 2 一o f c o s 竺 卜。7 留詈= 警( 2 - 2 1 )留虿2 之产 由式( 2 2 可知，沿程阻力系数越大，扩散段出口直径比越小，最佳扩散角 越大。用上述方法设计集流管时，需先假设l 和口，利用式( 2 - - 2 1 ) 求得d 2 ，然 后再代入式( 2 - - 2 0 ) ，看等式是否成立；若不成立，再修正o f ，重新计算，直到合 适为止瞄l 。集流管的最佳扩散角一般都在5 。以内，它与沿程阻力系数有很大的 关系，因此旋喷泵集流管的选材很重要。 多级旋喷泵水力设计及内部流动数值模拟 2 3 旋喷泵的设计实例 2 3 1旋喷泵参数设计计算 根据上述设计理论并结合低比转速离心泵的经验公式对旋喷泵的各参数进行 设计计算( 设计时叶轮采用复合叶轮形式) ： 已知参数：q = 1 5 m 3 h ，h = 2 3 0 m ，转速为n = 2 9 0 0 r r a i n 。通过比转速公 式计算得，该泵的比转速为：亿：墨箜粤厘：3 6 5 x 2 9 0 靼0 x 1 5 ：1 1 5 7 。 h 4 2 3 0 4 1 复合叶轮设计 采用长短叶片复合叶轮，以减轻流道的扩散程度，而叶片出口安放角取较大 值以提高扬程系数。其具体几何参数为： 叶片进口角届= 1 3 0 ，叶片出口角屈= 9 0 0 ，叶片出口宽度吃= l o m m ，叶片数 z = 8 + 8 ，为8 个长叶片和8 个短叶片。长叶片进1 3 直径d 1 = 6 5 m m ，短叶片进1 3 直径n = 1 9 4 r a m ，叶