（化工过程机械专业论文）微型电泵压水室型式对性能影响的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 微型电泵是指配套电机功率2 2 k w 的离心泵，具有结构简单、通用性强、 使用方便等特点，广泛应用于农业、石油、化工等领域。微型电泵一般为低比速 ( 或超低比速) 离心泵，其螺旋形压水室断面面积很小，铸造相当困难，不易机 械加工，流道表面粗糙度较大，水力损失大，效率很低。因此，压水室对微型电 泵的性能有较大的影响。针对上述问题，为了改善压水室的水力性能，降低损失， 提高能源的利用率，本文选取浙江某企业一款型号为x c m l 5 8 微型电泵为研究 对象，对其螺旋形压水室进行改型优化设计研究。主要的研究工作及成果有： 1 、对微型电泵面积比进行了研究，建立了面积比与理论扬程、加大流量法 等之间的函数关系。 2 、利用c f x 软件对模型泵进行了全流场数值模拟，探讨了压水室流道表面 粗糙度对微型电泵性能的影响，提出了压水室的改型设计方案；对比分析改型前、 后泵的外特性及内部流场情况。结果表明：改型后的环形压水室离心泵在扬程、 效率方面优于螺旋形压水室模型泵，环形压水室的损失小于螺旋形压水室损失； 在小流量区和设计工况点，改型后泵的径向力远小于模型泵的径向力，泵的可靠 性提高，这正好符合微型电泵在小流量运行时径向力小，泄漏少的要求。 3 、采用正交试验设计法，深入研究改型后的环形压水室主要几何参数对微 型电泵性能的影响程度，从而优化改型后的方案。结果表明：对扬程影响的主次 顺序为压水室的进口宽度、断面高度、基圆直径；效率依次为基圆直径、进口宽 度、断面高度。对预测结果进行了综合平衡分析，得到正交试验的最优方案。 4 、将优化后的微型电泵进行三维非定常数值计算，对监测点的压力进行时 域及频域分析，得到环形压水室的压力脉动规律；对瞬态径向力进行了分析，得 到环形压水室瞬态径向力的分布及脉动情况。 5 、对改型优化后的微型电泵进行性能试验。结果表明：改型优化后的泵性 能优于原模型泵：在设计工况点，效率高出1 6 ，扬程提高1 2 m 。 微型电泵压水室的优化改型设计达到了预期效果，已应用到浙江某企业的 x c m 系列产品中，具有一定的推广价值。 关键词：微型电泵，压水室型式，数值模拟，正交试验，压力脉动 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em i c r om o t o r - p u m pw h i c hi sac e n t r i f u g a lp u m pm a t c h i n gw i t hm o t o r p o w e r 2 2 k w ：h a sas i m p l es t r u c t u r e ，v e r s a t i l i t y , e a s eo fu s e a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ， w i d e l yu s e di na g r i c u l t u r e ，p e t r o l e u m ，c h e m i s t r y , m a c h i n e r yi n d u s t r ya n d o t h e rf i e l d s c o m m o n l y , m i c r o p u m pi sl o ws p e c i f i cs p e e d ( o rv e r yl o ws p e c i f i cs p e e d ) c e n t r i f u g a l p u m p ，w i t hs m a l lc r o s s - s e c t i o n a la r e ao fv o l u t e ，v e r yd i f f i c u l tc a s t i n ga n dm a c h i n i n g ， t h a tm a k es u r f a c er o u g h n e s so ft h ef l o wc h a n n e lb i g g e r , a n dw a t e rl o s sm o r e ，t h e n ，t h e p u m p se f f i c i e n c yb e c o m e sv e r yl o w t h e r e f o r e ，t h ew a t e rc h a m b e rh a sag r e a t e r i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fm i c r om o t o r - p u m p i no r d e rt oi m p r o v eh y d r a u l i c p e r f o r m a n c eo ft h ev o l u t e ，r e d u c el o s s ，a n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fe n e r g y , t h i s a r t i c l es e l e c t e dam o d e lo fx c m l 5 8m i c r om o t o r - p u m p sv o l u t ef r o maz h e j i a n g s c o m p a n y f o rr e t r o f i ts t u d y t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t s ： 1 m i c r om o t o r - p u m p sa r e ar a t i ow a ss t u d i e d ，a n dt h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ea r e ar a t i oa n dt h e o r e t i c a lh e a d 、i n c r e a s i n gf l o wl a wa r ed e d u c e d 2 t h ew h o l ef l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h em o d e lp u m pw a sm a d eb y c f x s o f t w a r e ，a n dt h ee f f e c to fw a t e rc h a m b e r sf l o wc h a n n e ls u r f a c er o u g h n e s so n m i c r om o t o r - p u m p sp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d ，t h e nm o d i f i e dd e s i g no nv o l u t e w a sp r o p o s e d e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r n a lf l o wf i e l do fp u m pb e f o r ea n d a f t e rt h er e t r o f i tw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，t h e nt h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h em o d i f i e d a n n u l a rw a t e rc h a m b e rm o d e li ss u p e r i o rt os p i r a lw a t e rc h a m b e rp u m pi nh e a da n d e f f i c i e n c y , a n dc h a m b e rl o s so fa n n u l a rc a s i n gi sl e s st h a nt h es p i r a lo n e a ts m a l l f l o wr a t ea r e aa n dd e s i g no p e r a t i n gp o i i l t ，t h er a d i a lf o r c eo fm o d i f i e dp u m pi sm u c h s m a l l e rt h a nt h eo n eo fo r i g i n a lp u m p ，a n dt h em o d i f i e dd e s i g ni m p r o v e sr e l i a b i l i t yo f t h ep u m p 3 u s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，t h em a i ng e o m e t r i c p a r a m e t e r so fa n n u l a rw a t e rc h a m b e rm o d i f i e do nm i c r om o t o r - p u m p sp e r f o r m a n c e w a sd e e p l ys t u d i e d ，a n dt h eo p t i m a ls o l u t i o na f t e rt h er e t r o f i tw a sg a i n e d i ti sf o u n d i i i 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 t h a t ：t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r st oh e a di s ( i np r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e r ) ：i n l e tw i d t h ， s e c t i o nh e i g h ta n dv o l u t eb a s ec i r c l ed i a m e t e r ；t h ef a c t o r st oe f f i c i e n c yi s ：v o l u t eb a s e c i r c l ed i a m e t e r , i n l e tw i d t ha n ds e c t i o nh e i g h t b yc o m p r e h e n s i v ea n db a l a n c e d a n a l y s i so nt h ep r e d i c t e dr e s u l t s ，t h eo p t i m a lp r o g r a mo fo r t h o g o n a lt e s ti sf i n a l l y o b t a i n e d 4 t h r e e d i m e n s i o n a l u n s t e a d y n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo p t i m i z e dm i c r o m o t o r - p u m pw a sc a l c u l a t e d t h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i no fp r e s s u r e f l u c t u a t i o na tm o n i t o r i n gp o i n t sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nl a wi s o b t a i n e d t r a n s i e n tr a d i a lf o r c ei s a n a l y z e dt oo b t a i nt h et r a n s i e n tr a d i a lf o r c e d i s t r i b u t i o na n df l u c t u a t i o n 5 p e r f o r m a n c et e s tf o rt h em o d i f i e do p t i m i z e dm i c r om o t o r p u m pw e r ec a r r i e d o u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e do p t i m i z e dp u m p sp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a n t h eo r i g i n a lm o d e lp u m p s ：a td e s i g no p e r a t i n gp o i n t t h ee f f i c i e n c yi s1 6 h i g h e r , a n dt h eh e a di m p r o v e s1 2 m t h eo p t i m i z a t i o na n dm o d i f i e dd e s i g no ft h em i c r om o t o r - p u m p sp r e s s u r i z e d w a t e rc h a m b e ra c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s t h er e s e a r c hr e s u l th a sa l r e a d yb e e n a p p l i e di ne x t e n s i v em a n u f a c t u r ea n de x t e n d st h ex c mp r o d u c t so ft h ec e r t a i n c o r p o r a t i o ni nz h e j i a n gp r o v i n c e ，s oi th a ss o m ep r o m o t i o n a lv a l u e k e yw o r d s ：m i c r om o t o r p u m p ，c h a m b e rt y p e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a lt e s t ， p r e s s u r ef l u c t u a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的及意义 微型电泵是指配套电机功率2 2 k w 的离心泵。它具有流量小、扬程高、重 量轻、结构简单、通用性强、使用方便等特点，广泛应用于农业、石油、化工等 领域。微型电泵大多数属于低比速离心泵。由于叶片出口宽度较小，叶轮流道狭 长，导致圆盘损失和水力损失较大，因此泵的效率普遍较低。 压水室是泵的主要过流部件之一，其形式主要有螺旋形压水室( 又称蜗壳) 、 环形压水室以及空间导叶。一般地，螺旋形压水室符合流体出流的流动规律，流 动状态较理想，水泵能够获得较好的水力性能，因此大多数离心泵采用螺旋形压 水室。环形压水室主要用于渣浆泵、热水循环泵等，因为这种结构隔舌处间隙很 大，不易造成杂质的堵塞，而且工艺方便；多级泵的末级导叶也多采用环形压水 室，结构对称，便于布置穿杠，且使热变形均匀。 对于微型电泵，大部分使用螺旋形压水室，但由于蜗壳的断面尺寸很小， 流道不能机械加工，造成其形状尺寸、表面粗糙度等直接靠铸造来保证，而且铸 造难度高，流道表面的粗糙度较大，导致泵体中的水力损失很大。对于低比速离 心泵，压水室中的水力损失约占泵总损失的2 5 - 5 0 t 1 1 ，而对于比转速小于3 0 超低比速离心泵，压水室的水力损失比所占比重更大。其水力损失仅次于叶轮圆 盘摩擦损失，对泵的性能有较大的影响。 i 虱j b 泵手册【2 l 中对低比速离心泵进行了统计分析，如图1 所示，横坐标为 比转速n s ( 美国) ，纵坐标为采用环形压水室与螺旋形压水室泵的效率的比值， 得出当比转速低于4 0 ( 中国) 时，环形压水室便于机械加工和打磨，泵效率高 于不做加工处理的螺旋形压水室。本文以此为思想，在螺旋形压水室的基础上， 根据压水室的设计理论以及机械加工的难易程度，设计了矩形断面的环形压水 室，并将具有不同设计参数的压水室与同一叶轮组合进行三维定常数值模拟，与 传统螺旋形压水室的模型泵进行对比；通过正交试验以及非定常数值模拟对流场 波动的研究，寻找叶轮与压水室配合的最优方式，减少泵的水力损失，降低能耗， 1 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 提高泵的效率。 | f l f l i 、 。 、一 s 残l f i c 鲈e e o n s 纠雌目酝嘲m 翩一曲嘶硎州- 嘞州嘲i 埔k 图1 采用环形压水室和螺旋形压水室泵的性能对比 1 2 国内外研究现状 目前，低比速离心泵甚至是超低比速离心泵应用越来越广泛，但是这类泵的 效率普遍很低，随着比转速的降低，除了泵的圆盘摩擦损失增大外，压水室内的 水力摩擦损失也显著增大。压水室是泵的重要过流部件，其水力损失在泵总损失 中占有相当的比例。为了提高压水室的水力效率，完善压水室的设计理论，国内 外的专家和学者对压水室内的流动做了大量的研究。本文将从压水室的水力设 计、数值模拟和内部的流场测试三方面进行阐述。 1 2 1 水力设计 1 ) 压水室设计参数 压水室在泵的设计中有着重要的地位，其设计好坏直接影响泵的效率，尤其 是低比速离心泵。压水室的主要设计参数有断面形状、喉部面积、隔舌安放角和 隔舌与叶轮外缘之间的间隙等。 日本横滨国立大学j u n i c h ik u r o k a w a 等【3 】的研究表明，叶轮出口和蜗壳隔舌 之间的径向间隙是蜗壳最敏感的设计参数，随着该间隙的减小，泵效率急剧地提 2 江苏大学硕士学位论文 高；在n的情况下，当该间隙减小到 = 时，效率可提高9 ；低比s = 6 0 a r 0 0 2 r 2 速离心泵的压力脉动和噪声并不随着该间隙的减小而加剧，这是低比速离心泵的 一种非常理想的特性。 国内方面，刘在伦等【4 】对蜗壳形状对高速部分流泵性能的影响进行了研究， 指出采用矩形螺旋蜗壳能够提高关死点扬程，且同时提高泵的效率。郭鹏程等【5 】 研究了不同断面型式的蜗壳对离心泵性能的影响，发现矩形和圆形螺旋蜗壳在大 流量工况下效率比马蹄形蜗壳稍高；在设计工况点比马蹄形稍低一些。袁寿其【6 】、 李海权【7 】通过低比速叶轮对比不同喉部面积的性能曲线，得出喉部面积对泵特性 的影响规律。何希杰【8 1 、梁双印【9 】分析了隔舌间隙对离心泵性能的影响，提出了 离心泵隔舌安放角和间隙大小的经验计算公式。 2 ) 设计方法 蜗壳的传统设计方法主要有两种【1 0 】：一是等速度矩法( v = ) ，二是r c o n s t 等周向平均速度法( 屹= c o n s t ) 。第一种方法设计得到的蜗壳出流均匀，缺点是 蜗壳小包角部分过流断面过小，蜗壳内的水力损失较大，易形成回流；而第二种 恰好相反，蜗壳小包角部分断面较宽，蜗壳内的水力损失较小，但入流角沿周向 分布不均匀。j u n i c h ik u r o k a w a 等p 】开发了一种低比速高效蜗壳泵，总结了比转 速n 时两种试验结果，进行叶轮和蜗壳的设计优化，并进行了新试验，结果s=60 表明低比速离心泵蜗壳不宜采用常规设计方法。 国内林汝长、曹树良和钱涵欣对混流可逆式水泵水轮机泵工况蜗壳进行 了研究【1 1 1 。王洋、张翔【1 2 】以自由旋涡理论和应用动量矩守恒原理为基础，考虑 沿程摩擦损失，分别推导了低比速离心泵最高效率点的流量和蜗壳第八断面面积 函数关系，并通过试验比较两种方法预测的最高效率点流量的精度。李仁年【1 3 】 探讨了一种以蜗壳中的水力损失和泥沙磨损为特征值的双目标函数，对沿蜗壳周 向断面环量的分布进行了优化。 3 ) 面积比理论 从1 9 3 8 年a n d e r s o n l l 4 】首次提出离心泵面积比理论以来，以后几十年的资料 表明，这已成为预测和设计离心泵性能最有效的方法之一。但直到1 9 6 3 年， w o r s t e r 根据流出叶轮流体符合自由旋涡的理论，首次成功地指出了决定泵性能 3 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 的叶轮和泵体之间有明显的数学关系【1 5 1 ，这一理论研究结果与s t e p a n o f f l l 6 】的经 验数据和a n d e r s o n 的面积比原理相吻合，在理论上证明了a n d e r s o n 所提出的面 积比原理的科学性。 我国泵行业从上世纪8 0 年代初引入面积比原理以来，在设计和预测泵性能 方面也做了不少卓有成效的工作，袁寿其【5 】对此进行了推导并通过试验分析得出 影响离心泵最大轴位置的最关键因素是面积比，而非传统因素叶轮。金树德等【1 7 】 统计出国内大部分低比转数离心泵的面积比在3 0 。7 o 之间，少数可达到1 0 0 ， 这对提高泵效有利，却使泵在大流量区易过载，建议面积比y = 1 0 2 0 。邓文剑 等【1 8 】指出泵面积比越大，泵的高效区范围越狭窄，扬程曲线随面积比的减小向 右上方移动。刘在伦、梁森等【1 9 】基于面积比原理，从理论上证明了要获得较高 的水泵扬程，面积比系数y 1 。杨军虎【刎在面积比原理基础上，对低比速离心 泵在加大流量设计后计算面积比，建立了第8 断面面积的计算公式。 在蜗壳断面尺寸计算方面，严敬【2 1 翻、徐伟利【2 3 1 、候永胜【冽等人分别在数 值积分和几何尺寸数学模型方面做了大量的研究。刘厚林瞵】、李安虎、李红【2 6 棚、 赵青松等【捌人对蜗壳三维造型进行了研究，为三维数值模拟建立了基础。 。二一 1 2 2 数值模拟 随着科学技术的提高和越来越高的工作要求，传统的基于经验和模型试验相 结合的设计方法很难满足设计的要求。随着计算流体力学( c f d ) 的出现与广泛 应用，数值模拟成为解决这一问题的重要手段，它大大地降低了开发成本，同时 也缩短了开发周期。如今c f d 技术在模拟泵的流场、优化改型设计中得到广泛 的应用【2 9 2 1 。 目前流场的计算是基于n s 方程的模拟计算，通过建立模型来封闭n s 方 程，然后用数值模拟的方法离散求解方程。对离心泵压水室的数值模拟计算大多 建立在标准的k 一占双方程湍流模型基础上，求解二维或三维的定常或非定常、 不可压缩流场。如k e l d e rj d h 等【3 3 】在设计工况点试验并计算了低比转数泵压水 室内的流动情况，数值计算基于非定常、三维、势流模型，考虑到流体粘性作用 的影响，同时还使用了粘性损失模型作为附加模型。c r o b a 和k u e n y 3 4 】建立了一 个数值模型来计算叶轮和蜗壳内的二维、非定常、不可压缩紊流流动，直接数值 4 江苏大学硕士学位论文 求解n s 方程和标准七一占双方程。应用有限体积法划分时间和空间网格。在处 理叶轮和蜗壳的影响方面，使用了重叠网格的方法。 国内方面，李昌富【3 5 】采用m f a g h r i 等提出的非正交坐标变换思想和湍流的 k s 模型，发展了一种计算蜗壳内二维不可压缩湍流流动的数值方法，该方法 可用于叶轮和蜗壳匹配关系的研究。如今越来越多的人倾向于将叶轮和蜗壳的流 场联合计算，以便得到更加符合实际的结果，主要的考虑因素是如何处理叶轮和 压水室间的相互影响。田辉等【蚓采用滑移网格技术成功捕捉到了叶轮和蜗壳动 静干涉引起的非定常流动特性。郭鹏程【3 7 】采用“冻结转子 法，通过求解三维 时均n s 方程，研究蜗壳进口周向非均匀流对其内部的旋涡演化和发展的影响， 指出整个蜗壳内的流动是以旋涡形式向出口推进，且径向截面上的二次流动随径 向截面型线存在两种明显特征。 随着计算机计算能力的提高，计算的模型网格数量增多，数值模拟作为一种 有效的研究手段已经逐渐发展成熟。实践中也证明了数值模拟能较为准确的反映 出压水室内部的流动情况，能够用低廉的成本代替某些试验测试难度较大的项 目。 1 2 3 压水室内流场测量 1 ) 内部流场测量 研究压水室内的流场最直接、最可靠和最有效的方法是使用测量仪器直接 测量。目前主要的测量内容包括压水室内速度场和压力场的测量，尤其是速度场， 这对研究压水室内的流动情况至关重要。使用的仪器主要从毕托管到热线流速 计、激光测速仪( l d v ) 到粒子成像速度仪( p ) 等，测量手段的改进为精确 研究提供了物质基础。 国外许多学者对不同工况下的压水室内流场进行了测量。b i n d e r 和 k n a p p 3 8 1 ，b o w e r m a n 和a c o s t a 3 9 1 ，i v e r s e n 等 4 0 l 主要集中于对不同工况下叶轮和 蜗壳出口处压力、速度等参数的测量。t a t s u j iy u a s a 和t a t s u oh i n a t a 4 1 】用实验和 理论的方法预测了蜗壳内部速度、压力的波动特性。m i n e 4 2 州】和k e l d e r 4 5 】通过 势流理论和实验两方面分析了蜗壳内流场的特性，试验包括了设计工况点蜗壳内 速度时均值和静态压力值的测量。r d o n g 等【4 6 】采用了p 技术测量了离心泵蜗 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 壳在不同叶轮叶片角、不同流量工况下的速度场。试验发现，靠近蜗壳出口的地 方常常会因为流量的不同而产生回流现象，远离隔舌的区域周向速度屹分布基本 1 上符合v ，o c 一1 的假设。 r 国内方面，薛珍宝、杨敏官【4 7 】通过采用三孔圆柱探针测量环形压水室的内 部流场，指出环形压水室四周具有较均匀的静压，从而使叶轮所受到的径向力较 小。这对于提高泵的运行寿命是有利的，由于叶轮四周具有较均匀的静压，以及 隔舌处间隙的加大，防止了流动的突然偏斜，使它能够在较宽的工况区域维持较 高的泵效。 张武高【鸺】沿圆周方向测量了不同工况下蜗壳内的中轴垂面上的压力分布， 指出为了避免蜗壳内的压力分布出现不规则变化，设计时应该减小蜗壳中间断面 面积；为了降低蜗壳内的液流损失，应减小蜗壳与叶轮间的轴向间隙。 李文广【4 9 】用激光测速计测量了一台离心泵在最优工况、小流量及大流量工 况下蜗壳断面内的湍流时均流场，发现在最优工况下蜗壳断面内存在旋涡区，且 旋涡区按断面、的顺序逐渐扩大；而后又用l d v 测量了以。= 9 6 的单级 悬臂蜗壳离心泵蜗壳内最优工况和小流量工况下的非定常流动，表明流动沿叶轮 圆周是非对称的，蜗壳内流动扩散，小流量工况比最优工况更不均匀，扩散更严 重。离隔舌越近，速度和液流角波动值越大。 2 ) 泵敏感部位的测量 对于泵敏感部位的测量也很多。以泵的隔舌间隙测量为例，t e l h o l m 等【5 0 】 用激光测速计测量了泵蜗壳内速度分布情况，揭示了蜗壳断面内旋涡和主流的关 系，在蜗壳进口处液体流动有一个回流，隔舌处的缝隙流对于旋涡中心的位置有 重要影响，它们增大或者减小影响着环向压力的分布。 c h u 等【5 m 3 】使用带有噪声和压力测量装置的p i v 测量速度分布并计算了离 心泵蜗壳隔舌附近的非定常压力场。测试使用了不同隔舌间隙的蜗壳，间隙为叶 轮半径的7 到2 8 ；其测试的结果为更好地理解离心泵叶轮靠近隔舌流道出口 非定常流动结构和湍流模型问题提供了实验参考。 l d v 的测量还得到了叶轮与蜗壳的影响关系。t h o m a sr n 等【5 4 】研究了一个 矩形断面的泵蜗壳，分别测量了4 叶片转动叶轮时的3 种不同流量工况和两个 6 江苏大学硕士学位论文 3 2 叶片静止叶轮时的流动情况。 不同的测试手段都有各自的优点和不足，p a o n e 等【5 5 】对比p i v 和l d v 的测 试结果发现它们在叶轮出口尾迹中的测量结果是不同的。 p e t e rh e r g t 等【5 6 】使用热线和快速反应单孔探针对不带蜗壳和带蜗壳两种情 况下5 个不同工况点的蜗壳进口速度场进行的测量，这个试验证实了先前人们的 一些理论猜想为叶轮和蜗壳的耦合研究提供了宝贵的数据。 通过p i v 或者l d v 试验可得到真实反映流动情况的速度场，试验方法的改 进更好地测出了泵内的流动情况。现有的测试结果几乎都反映了三个问题：( 1 ) 蜗壳内的运动大体上还是符合等速度矩运动规律的；( 2 ) 小流量工况蜗壳内流动 情况变糟：( 3 ) 隔舌是泵一个敏感部位。 综上所述，国内外学者对低比速离心泵压水室已有了大量的研究，揭示了压 水室的内部流动状况，得到了一些内部流动的理论，为以后的理论研究提供了试 验参考和理论依据，也为压水室的优化设计奠定了基础。目前对微型电泵压水室 的研究主要是螺旋形压水室( 蜗壳) ，较少的研究采用环形压水室对微型电泵性 能的影响。本文基于前人对压水室的研究，根据浙江某企业生产的x c m l 5 8 型 微型电泵，分析微型电泵采用环形压水室的内部流动特性。 1 3 研究内容 本研究针对选取的模型泵x c m l 5 8 微型电泵，对其压水室进行改型优化设 计研究，主要的研究内容有： 1 、对微型电泵面积比原理进行研究，建立面积比与理论扬程、加大流量法 等的函数关系； 2 、应用c f x 软件对模型泵流场进行定常数值模拟，探讨压水室流道表面粗 糙度对微型电泵性能的影响，并提出改型设计方案；从外特性及内部流场两方面 对比分析改型前、后的模型泵；研究改型前后压水室的损失、压水室的能量转换 特性及泵作用在叶轮上的径向力情况； 3 、采用正交试验设计法深入研究压水室各几何参数对改型后微型电泵性能 的影响，从中探索水力设计规律，选取最优方案进行数值模拟，得出优化后泵的 性能曲线； 7 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 4 、对优化后的模型泵进行三维非定常数值计算，对比分析定常和非定常下 泵内的速度场和压力场；对监测点的压力进行时域及频域分析，分析改型优化后 泵的压力脉动规律；对叶轮瞬态径向力进行分析，分析瞬态径向力的分布规律与 脉动情况； 5 、对优化后的模型泵进行性能试验，并与改型前的模型泵进行对比分析。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章微型电泵面积比研究 在水泵的设计中，压水室和叶轮的匹配与耦合作用对泵的性能影响很大，面 积比是离心泵扬程、流量轴功率特性的主要影响因素。本章对微型电泵面积比进 行了研究，并做了进一步推导简化，得出面积比与理论扬程、加大流量法等之间 的函数关系。 2 1 面积比公式的推导 由a n d e r s o n 面积比【1 3 】定义得： 卜l r 鼍嚣器产= 鲁 仁1 ， = = 一= = 二- ，1i 一 泵体喉部面积f r 一7 比较a n d e r s o n 、w o r s t e rrc 【1 5 】和袁寿其 6 1 对叶轮叶片间出口面积的不同定义 可知，袁寿其引入排挤系数较为合理和准确，因此： e = 万d 2 吃s i n 屐( 2 2 ) 式中：皿叶轮外径，m m ； 6 2 叶轮出口宽度，i 1 1 1 1 1 ； 叶片出口排挤系数； 膨叶片出口安放角。 流量一定，流速和过流断面面积成反比，所以面积比又可写成： y ：鲁：旦 ( 2 3 ) 互 、7 式中：q 泵体喉部速度，m s ； 叶轮出口相对速度，m s 。 假定在最高水力效率点处q = 呸，即泵体喉部速度等于叶轮出口绝对速度 ( 无冲击损失) ，式( 2 3 ) 变为： 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 y ：生 w 2 由图2 1 叶轮出口速度三角形可知： 屹：呼 s m 以 m 2 砑- ) m 2 s m ， a ，i f x ，、 札2 一 | 2 k 2 。 t 1 2 图2 1 叶轮出口速度三角形 4 “0 o 将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 中得： 堕 】，：生：s i n a t 2 ：咝 w 2 l k 2s i i l s i n 厦 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 为面积比的最终表达式。可得出在设计工况下，面积比只与出口相对 速度液流角和出口绝对速度液流角有关。 文献【5 】的无过载理论设计中，对于离心泵轴功率出现极值的条件是厦= 口：， 即叶片安放角等于出口绝对速度液流角，叶轮出口速度三角形为等腰梯形。由图 2 1 得，厦 屐，因此无过载设计中面积比公式又可以化简为： 弘器s m ( 2 8 ) 从 此时式( 2 8 ) 中y i 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 面积比与理论扬程 由泵基本方程： h r2 u 2 ) u 2 - - u l d u l g ( 2 9 ) 对于直锥形吸入室，一般认为也。= 0 。由图2 1 叶轮出口速度三角形可知： 此时泵基本方程变为： “2 = w 2c o s 及+ 0 2c o s 0 r ： 吃22 0 2 c o s 口2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 坼：业：丝! 生竺竺坦 ：詈( 薏g s 幺。s 及+ s z 幺g ) 2 - 1 2 ) = 詈( 薏c o s 幺c o s 及+ c o s 2 幺) 。 将式( 2 7 ) 代入上式得： 式( 2 1 3 ) 为面积比与理论扬程之间的又一种表达式，与文献【5 】给出的表达式 nn - - 致：。将式( 2 1 3 ) 继续化简得： 珥一譬( 甏2 亿 由式( 2 1 4 ) 知：当以= 口i ( 相对速度液流角等于绝对速度液流角) 即y = 1 时： h t ：型：2 2( 2 1 5 ) 苦 g 当厦 口：即y 1 时，h r 2 0 2c o s z z 2 。 吃 ， s 正u 批 暖 骰 宝 吐一反知 堕虮 郴 蹦 钝，扣一氧 h 一一 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 2 3 面积比与加大流量设计法 对于微型电泵一般采用加大流量设计法，设计中选择较大尾、如和e 等， 增加了叶轮出口面积和泵体喉部面积。加大流量设计法各参数的放大【5 】分别为： 厅：= k 甩，( 2 1 6 ) q 。= k ：q( 2 1 7 ) 日= k 3 h( 2 1 8 ) 其中k 、k ：、k 3 分别为比转速、流量、扬程的加大系数。从现有加大流量 设计资料【5 】来看：k 1 1 、k z 1 、k 3 k 1 ，又 ，l 。：3 6 5 n 下；一q( 2 1 9 ) ，l 。2 r 一 【z - l 彬 k 1 ：冬 ( 2 2 0 ) k 叶轮外径、出1 2 1 宽度和喉部面积的计算公式： 驴如痒坼5 ( 笥 6 2 = k 摆k - o 6 4 ( 志 _ 动 e 2 瓦q 雨 ( 2 2 3 ) 将以上三式代入面积比表达式y ：型型坐竺坚中得： y ：一 仁砷 k v 。厨 由此，加大流量设计后的面积比放大系数为： 江苏大学硕士学位论文 即等2 警k 1 3 k ；惫 将式( 2 2 0 消入上式，化简得： 耻i 1 i k v 3 由于墨 1 、孚 1 阳，因此k 1 。 1 3 2 4 本章小结 关。 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 1 ) 设计工况下，面积比只与出口相对速度液流角和出口绝对速度液流角有 ( 力加大流量设计时，面积比的比值& 小于1 。 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 第三章微型电泵压水室的设计及数值计算方法 3 1 离心泵压水室的设计方法研究 3 1 1 压水室的作用与型式 压水室用来收集叶轮流出的液体，它和叶轮一起构成了泵的主要过流部件。 压水室的设计和制造工艺水平对泵的性能有着极其重要的影响。特别是微型电 泵，其压水室的水力损失仅次于叶轮的圆盘摩擦损失，文献【5 7 1 指出，在泵的最 高效率点，水力损失几乎仅含摩擦损失，这种损失在叶轮内与压水室内基本各占 一半。 离心泵的压水室型式主要有螺旋形压水室、环形压水室及空间导叶等。本节 主要介绍螺旋形压水室及环形压水室的设计方法。 3 1 2 压水室的主要设计参数 ( 1 ) 基圆直径取 切于第八断面螺旋线起点( 或切与隔舌头部) 的圆称为基圆。及应稍大于 叶轮外径n ，使隔舌和叶轮间有一适当的间隙。该间隙过小，容易因液流堵塞 而引起噪声振动；间隙过大，能减小叶轮外周流动的不均匀性，降低振动噪声， 消耗一定的能量，但泵的效率下降，通常取【5 8 】 d 3 = ( 1 0 3 1 0 8 ) d 2( 3 1 ) 高比转速和尺寸较大的泵取较大值，反之取小值。 ( 2 ) 涡室进e 1 宽度坟 吃通常大于包括前后盖板和叶轮出口宽度，至少应有一定的间隙，以补偿 转子的窜动和制造误差。目前，有的涡室纹取得相当宽，这样使叶轮前后盖板旋 1 4 江苏大学硕士学位论文 转的液体可通畅地流入压水室，回收一部分圆盘摩擦功率，提高泵的效率。另外 可以采用不同出口宽度的叶轮，提高产品的通用性。在确定6 3 时，还应兼顾第八 断面的形状，使其不要太扁或太长，一般接近圆形或方形，可取【5 8 】： 吃= 6 ：+ ( 5 1 0 ) ，b 3 = b 2 + 0 0 5 d 2 或玩= ( 1 6 2 ) 如( 3 2 ) ( 3 ) 涡室隔舌安放角 隔舌位于涡室螺旋部分的始端或始端稍后，将螺旋线部分与扩散管隔开。隔 舌和第8 断面的夹角称为隔舌安放角，用表示。q o 的大小应保证螺旋线部分 与扩散管光滑连接，并尽量减小径向尺寸。值与泵的比转速有关，对于低比 速离心泵，一般不大于1 5 。，且比转速越低，编越小。 ( 4 ) 涡室的断面形状和断面面积 涡室的断面形状有矩形、梨形、梯形和圆形等。圆形断面是水轮机蜗壳断面 的基本形式，在水泵中使用的不多。对于低比速离心泵来说，梯形断面蜗壳与矩 形断面蜗壳对泵的效率相差无几，采用何种断面主要是根据泵的结构和制造上的 方便来考虑的。 3 1 3 压水室的设计 ( 1 ) 第8 断面面积计算 计算时先计算第8 断面的面积，其它断面的面积以第8 断面的面积为基准进 行确定。 对于压水室的设计，一般采用速度系数法，其计算公式为 v 3 = k a 4 2 9 h ( 3 3 ) 式中：u 涡室断面的平均速度，m s ； 卜泵的扬程，m ： 奴经验系数( 根据泵的比转速取的) 。 第8 断面面积对泵的性能影响很大。对同一叶轮，如果涡室断面面积较小， 则流量扬程曲线陡峭，最高效率点向小流量方向移动，效率降低；如果涡室断面 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 过大，则流量扬程曲线比较平坦，最高效率点向大流量方向移动，效率也降低， 但降低的幅度较小。因而可用泵总流量计算第8 断面的面积，即 最：q 屹 ( 3 4 ) 螺旋形压水室的断面设计 螺旋形压水室其它断面的面积按涡室的各断面速度相等确定。 = 蠡磊0 - 5 ) 对于环形压水室断面设计 环形压水室各过流断面的面积相等。第8 断面的面积计算公式和螺旋形压水 室相同。 ( 2 ) 涡室扩散管的设计计算 扩散管的作用在于降低速度，转换为压能，同时减小排出管路中的损失【5 7 1 。 扩散管的进口可以近似认为是涡室的第8 断面，出1 2 1 是泵的排出1 3 ，扩散管的主 要结构参数是： 排出口径见 应符合经济流速和标准直径，同时还要考虑以下因素：如果泵的排出管是刚 性管，眈应取标准内径；如果泵的排出管是软管，泵的出口外径应取标准内径， 见要小于标准内径值。 扩散管长度l 在保证扩散角和安装要求的前提下，应尽量取小值，以减小泵的尺寸。 扩散角0 为了防止水流的脱流，秒一般取7 * - 1 3 。 因为扩散管的进口面积( e ) 不是圆形，为此将磊变为当量的圆形面积，计算 当量角为： 碰2 ：盟2 l ；坐2 l 、， 式中： 1 6 江苏大学硕士学位论文 p 进扩散管进口当量直径，最= 三p 主。 3 2 数值计算方法 3 2 1 控制方程 流体运动遵循物理学三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量 守恒定律本文不涉及温度场方面，因此不考虑能量方程。 ( 1 ) 连续性方程 连续性方程描述了流动过程中流体质量守恒的性质。直角坐标系下的连续性 方程写成张量形式为： 害+ 昙洄) = 0 ( 3 7 ) a 氖：” 、 7 式中： 伊一体的密度，k g m 3 ； z i _ _ 空间速度，m s 。 ( 2 ) 动量方程 动量方程是动量守恒定律对粘性流体运动规律的数学表述。其方程为： 昙细”若汩一毒+ 毒喀，+ 墨 。s ， 式中： 卜空间坐标； 孓一项； i 、_ 挫标轴的方向分量，遵从张量求和约定。 3 2 2 湍流模型 目前对于离心泵内流场的数值模拟通常是采用标准壁面函数法和雷诺平均 n s 方程耦合缸8 双方程湍流模型来进行计算，而一般七啦模型较适用于边界层 压力相对稳定的情况，如标准加模型假设流动为完全湍流，是一种高雷诺数的 模型。 微型电泵压水室型式对性能影响的研究 y a k h o t 和s m i t h t 列j 于1 9 9 2 年通过修正得到的r n g 忌- 揣流模型，提供了一 个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式，这些公式的作用取决于正确的对待近壁区 域。其k 和方程如下 1 a ( p _ k ) + 掣= 苦心锄善】+ 瓯一胪 ( 3 9 ) 研觑 鼠，”例如；。 、7 掣+ 掣= 争舶e b 帮吒三kq 屯笸k ( 3 1 0 ) 现觑 鼠；。“苏；