（流体机械及工程专业论文）蜗壳进口宽度对离心泵性能影响的数值研究.pdf

硕 ? 学何论文 曼曼皇曼量曼皇曼i 一 ； i i 一i i _i i i 皇曼曼曼曼量曼曼蔓曼曼皇曼曼曼蔓曼曼鼍曼曼曼量曼曼 摘要 离心泵主要由叶轮和蜗壳两大过流部件组成，共同决定蓍离心泵的性能。蜗 壳作为离心泵的一个重要过流部件，起着重要的导流与扩压作用，其设计的好 坏对泵的性能有着重大影响。而长期以来，人们往往将研究重点集中在叶轮上， 很大程度上忽视了对蜗壳及其与叶轮匹配关系的研究。这就造成叶轮的水力性 能往往非常优异，一旦和蜗壳配合起来工作，各项性能指标都会大幅度下降， 并且伴随有振动、噪声等非稳定工况。因此，要大幅度提高离心泵的各项性能 指标，必须解决叶轮与蜗壳相互匹配的问题。 本文通过改变蜗壳的进口宽度，对蜗壳与叶轮的匹配关系进行了数值研究。 首先，本文对离心泵蜗壳的水力设计作了详细的阐述，着重介绍了蜗壳梯形截 面的计算方法，并用此方法，在保证蜗壳断面面积不变的前提下，重新设计了 两个进口宽度与原型泵互不相同的蜗壳，分别与原型泵叶轮组合作为本文研究 所用的模型。利用f l u e n t 软件对离心泵内部流动进行了三维定常和非定常数 值模拟，计算结果较全面地揭示了三个模型各工况下全流道内的静压和速度分 布规律，分析了蜗壳进口宽度对离心泵性能及蜗壳内部压力脉动特性的影响， 并得到以下主要结论： ( 1 ) 蜗壳进口宽度对离心泵外特性的影响。三个模型的外特性预测结果表 明，泵的效率和扬程均随蜗壳进口宽度的增加而稍稍降低。 ( 2 ) 蜗壳进口宽度对静压场和速度场分布的影响。蜗壳进口宽度的改变对 流场分布也有一定的影响。同一流量下，靠近蜗壳壁面的流场高压区域随着蜗 壳进口宽度的增加而有所减小，从第八断面到出口的蜗壳扩散段，这种变化非 常显著；随着蜗壳进口宽度的增加，隔舌处和叶片出口的速度有所减小，蜗壳 扩散段的流场受蜗壳进口宽度的影响也比较明显，随着蜗壳进口宽度的增大， 蜗壳扩散段内的低速区域扩大。 ( 3 ) 蜗壳进口宽度对蜗壳断面内绝对速度分布的影响。蜗壳进口宽度越大， 进口处的速度值越小，速度分布越向壁面分散，旋涡的范围也越大。 ( 4 ) 蜗壳进口宽度对蜗壳进口处静压和绝对速度分布的影响。各个流量下， 总体上蜗壳进口处的压力随进口宽度增大而略有增加，而压力波动幅度却随蜗 壳进口宽度增大而有所减小。各流量工况下，蜗壳进口宽度对隔舌处的径向速 度影响相对明显，此处的径向速度随着蜗壳进口宽度增大而有所减小。 ( 5 ) 蜗壳进口宽度对蜗壳内部压力脉动特性的影响。蜗壳隔舌附近的压力 蜗壳进门宽度对离心泵性能影响的数伉研究 脉动幅度和强度较大，蜗壳流道内距离隔舌越近的监测点，其压力脉动幅度和 强度越大。蜗壳进口宽度的改变对蜗壳壁面和进口处压力脉动特性有一定的影 响，总体上蜗壳进口越宽，压力脉动的幅度越小。 关键词：离心泵；蜗壳；蜗壳进口宽度；非定常；压力脉动 硕十付沦文 a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m ph a st w oi m p o r t a n tf l o wc o m p o n e n t st h a ta r ei m p e l l e ra n dv o l u t e c a s i n gb a s i c a l l yw h i c ht o g e t h e r d e t e r m i n et h e c e n t r i f u g a lp u m pp e r f o r m a n c e a sa n i m p o r t a n tf l o wc o m p o n e n t sw i t h i nac e n t r i f u g a lp u m pv o l u t ec a s i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e o fd i v e r s i o na n dr i s e p r e s s u r e ，t h ed e s i g n o fw h i c hh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c eo fp u m p b u tal o n gt i m e ，p e o p l et e n dt of o c u so nt h er e s e a r c ho nt h ei m p e l l e r ， l a r g e l yi g n o r i n gv o l u t ec a s i n ga n dt h em a t c hr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m p e l l e ra n ds p i r a lc a s e t h a tc a nr e s u l ti n t h a tt h es i n g l ei m p e l l e rp e r f o r m a n c ei so f t e nv e r ye x c e l l e n t ，a n do n c e w o r k i n gw i t hv o l u t ec a s i n g ，v a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sw i l lb ed r o p p e ds u b s t a n t i a l l y w i t ht h es t a b i l i t yc o n d i t i o n ss u c ha st h ev i b r a t i o na n dn o i s e t h e r e f o r e ，t og r e a t l yi m p r o v e t h ev a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fc e n t r i f u g a lp u m pm u s ts o l v et h ep r o b l e mo fm a t c h i n g b e t w e e ni m p e l l e ra n dd i f f u s e r i nt h i sp a p e rt h em a t c h i n gr e l a t i o nb e t w e e ns p i r a lc a s ew i t hs e v e r a lw i d t ha n di m p e l l e r w a ss t u d i e d f i r s t l yi nt h i sp a p e rh y d r a u l i cd e s i g na b o u tt h ev o l u t eo fc e n t r i f u g a lp u m pa n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ev o l u t et r a p e z o i ds e c t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h e nw i t h t h i sm e t h o d ，b a s i so nt h e p r o t o t y p ep u m pv o l u t ea n de n s u r es e c t i o n a la r e au n c h a n g e d ， r e d e s i g n e dt h et w ov o l u t ew i t hi m p o r tw i d t hd e s i g n e dt ob ed i f f e r e n tf r o mp r o t o t y p ep u m p e a c ho t h e r ，a n dc o m b i n a t i o nw i t hr e s p e c t i v e l yp r o t o t y p ep u m pi m p e l l e ra st h em o d e lp u m p r e s e a r c h e di n t h i s p a p e r u s i n gf l u e n ts o f t w a r ef l o wi n t h e c e n t r i f u g a lp u m p ，t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lc o n s t a n ta n du n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sam o r e c o m p r e h e n s i v er e v e a l st h r e em o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ef u l lp o r ti nt h es t a t i cp r e s s u r e a n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n s ，a n a l y z e st h ew i d t ho ft h es p i r a lc a s ew a si m p o r tc e n t r i f u g a lp u m p a n dd i f f u s e ri n t e r n a lp r e s s u r ep u l s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n f l u e n c e ，a n dg e tt h ef o l l o w i n g m a i nc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) i m p o r tw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gi n f l u e n c eo nt h eo u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c so f c e n t r i f u g a lp u m p ，t h r e eo ft h em o d e lp r e d i c t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t he f f i c i e n c ya n dh e a do f p u m p sd e c r e a s eal i t t l eb i tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p i r a lc a s ei m p o r t e dw i d t h ( 2 ) i m p o r tw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gi n f l u e n c eo nd i s t r i b u t i o no ft h es t a t i cp r e s s u r ea n d s p e e df i e l d f o rt h es a m ef l o wt h eh i g hp r e s s u r ea r e an e a rt h ew a l lo fv o l u t ec a s i n gi n c r e a s e s w i t hi m p o r t e dw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gr e d u c i n g ，w h i c hi sv e r ys i g n i f i c a n tf r o mt h ee i g h t h s e c t i o nt oe x p o r to fd i f f u s i o ns e c t i o n ；a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fi m p o r t e dw i d t ho ft h ev o l u t e 蜗壳进n 宽度对离心泵性能影响的数倩研究 c a s i n g ，t h es p e e da tt h et o n g u ea n dt h ee x p o r to fb l a d ei sr e d u c e d t h ef l o wf i e l da td i f f u s e r o ft h ev o l u t ec a s i n ga r eo b v i o u s l ya f f e c t e db yt h ei m p o r tw i d t ho fv o l u t ec a s i n ga n dw i t ht h e i n c r e a s eo fi m p o r t e dw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n g ，t h ea r e ao fl o ws p e e dw i t h i nd i f f u s e rs p r e a d o fv o l u t ec a s i n ge x p a n d ( 3 ) i m p o r tw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gi n f l u e n c e so nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ea b s o l u t es p e e d i ns e c t i o no fv o l u t ec a s i n g t h ei m p o r t e dw i d t ho ft h es p i r a lc a s ei sg r e a t e r ，i n l e tv e l o c i t y v a l u ei ss m a l l e r , t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nt os p r e a dt h ew a l l ，t h es c o p eo ft h ev o r t e xi sb i g g e r a l s o ( 4 ) i m p o r tw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gi n f l u e n c e so nt h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ea n d a b s o l u t es p e e da tt h ev o l u t ec a s i n ge n t r a n c e o v e r a l le a c hf l o ww i t ht h ei n c r e a s eo fi m p o r t e d w i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n g ，t h es t a t i cp r e s s u r ea tt h ev o l u t ec a s i n ge n t r a n c es l i g h t l yi n c r e a s e s ， b u tt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n sr e d u c e t h ef l o wc o n d i t i o n s ，a n di m p o r t e dw i d t ho ft h ev o l u t e c a s i n gi n f l u e n c em o r eo b v i o u s l yo nt h er a d i a lv e l o c i t ya tt h et o n g u e ，a n dt h er a d i a lv e l o c i t y i sr e d u c e dw i t ht h ei m p o r t sw i d t hv o l u t ec a s i n gi n c r e a s e s ( 5 ) i m p o r tw i d t ho ft h ev o l u t ec a s i n gi n f l u e n c e so nt h ep r e s s u r ep u l s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w i t h i nt h ev o l u t ec a s i n g n e a rt h et o n g u et h er a n g ea n di n t e n s i t y o fp r e s s u r ef l u c t u a t i o na r e b i g g e r ，v o l u t et o n g u ei nt h ed i s t a n c er u n n e rc l o s e rm o n i t o r i n gs t a t i o n s ，t h ea m p l i t u d ea n dt h e g r e a t e rp r e s s u r ep u l s a t i o ns t r e n g t h t h ei m p o r to ft h ew i d t ho ft h es p i r a lc a s ew a st oc h a n g e a n de n t r a n c ew a l lv o l u t ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sh a v ec e r t a i ne f f e c t ，i ng e n e r a l t h es p i r a lc a s ew a si m p o r t e dw i d e ，p r e s s u r ep u l s a t i o no ft h es m a l l e rr a n g e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；v o l u t ec a s i n g ；v o l u t ec a s i n gi n l e tw i d t h ；u n s t e a d y ；p r e s s u r e p u l s a t i o n l v 硕 ：学何论文 1 i i i 一一 ；i 一i一一一 iii一一i ii 皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼鼍 1 1 课题意义 第1 章绪论 泵广泛应用于国民生产各部门以及船舰和航天航空等尖端科技领域，凡是有 流体输运的地方都有泵在工作。其中，离心泵是应用最广泛的一种泵，它具有结 构简单、工作可靠、体积小、效率高以及操作维护方便等优点，因此对离心泵的 性能研究在国民生产中具有重要意义。 离心泵主要有叶轮和蜗壳两大过流部件组成，共同决定着离心泵的性能。蜗 壳作为离心泵内的一个重要过流部件，起着重要的导流与扩压作用，其设计的好 坏对泵的性能有重大的影响。而长期以来，人们往往将重点集中在对叶轮的研究 上，很大程度上忽略了对蜗壳以及叶轮和蜗壳问相互匹配关系的研究。这就造成 单叶轮运行性能往往非常优异，一旦和蜗壳配合起来工作，各项性能指标都会大 幅度下降，并且伴随有振动、噪声等非稳定工况【lj 。同时，离心泵蜗壳特有的三 维非轴对称结构、内部非定常流场的湍流特性以及蜗壳与叶轮的动静耦合作用等 因素都可能引起流场的压力脉动，进而引发泵体的振动和噪声，影响泵系统的正 常运转。随着泵偏离设计工况运行，这种压力脉动不断加剧，甚至进一步导致整 个泵站系统的管路或元件损坏【2 1 。尤其是随着对离心泵流量、扬程要求的不断提 高，其转速也在不断提升，使得它的振动和噪声问题也变得同益严重。 由此可见，要大幅度提高离心泵的各项性能指标，预防和解决泵运行中的振 动和噪声问题，必须研究蜗壳和叶轮之间的相互匹配问题，掌握泵运行过程中内 部流场的压力脉动特性，进而改善泵全特性性能及其可靠性。为此，研究离心泵 蜗壳与叶轮的匹配关系以及蜗壳内部流场的压力脉动特性对于改善泵的整体性 能十分必要，对于预防和解决泵运行中的振动和噪声问题意义重大。本课题基于 c f d 对不同进口宽度的蜗壳与同一叶轮匹配关系进行研究，着重分析蜗壳进口 宽度对离心泵性能的影响，通过对离心泵全流场的非定常计算分析叶片和蜗舌问 的动静干涉所引起的压力脉动特性，具体阐述了蜗壳进口宽度对离心泵流场结构 的影响，以及在不同蜗壳进口宽度下蜗壳内压力脉动特性的不同表现形式。 通过本课题的研究，揭示了蜗壳进口宽度与叶轮的匹配关系，总结不同运行 工况下蜗壳内部压力脉动随蜗壳进口宽度的变化趋势，这为改进离心泵的结构、 优化水力设计及提高泵的整体性能提供重要依据，对进一步解决离心泵的振动和 噪声问题提供参考借鉴。 蜗先进几宽度对离心泵性能影响的数伉研究 1 2 国内外研究现状 离心泵是一种古老而应用极其广泛的通用机械。离心泵从其原理、构造及运 行性能方面来看，与其它类型的泵相比有许多突出特点，可以在流量和压力很宽 的范围内应用，所以有非常广泛的用途。离心泵主要有叶轮和蜗壳两个过流部件 组成，蜗壳是纯耗能的装备，水力损失可达到泵的总水力损失的一半，因此蜗壳 设计的优劣，对于改善泵的性能，特别是其效率指标，关系极为密切。近些年来， 国内外对离心泵蜗壳研究主要包括水力设计、流场测试、数值模拟三方面，下面 对这些研究现状作一些简单评述。 1 2 1 水力设计研究 蜗壳又称螺旋形压水室，是离一i i , 泵上用的最广泛的压水室，它可用于单级轴 向吸水式泵和多级水平中开式泵，是一种比较理想的压水室。蜗壳的设计理论主 要有两种：一种是等速度法( 屹= c o n s t ) ，另一种是等速度矩法( 屹厂= c o n s t ) 。 前者蜗壳螺旋段起始部分的断面较宽，水力损失较小，但入流角沿周向分饰不均 匀；后者设计得到的蜗壳其入流角沿周向分布均匀，且呈轴对称分布，但由于蜗 壳螺旋段起始部分的过流面积过小，液流摩擦损失较大，且易形成二次流动。传 统的设计方法很难使泵的水力性能有较大的提高，优化设计成为设计人员最感兴 趣的课题之一。从所发表的研究成果看，优化设计大多是应用所谓的损失极值法， 建立各损失与各参数之间的关系，在保证设计工况的扬程和流量的条件下，通过 参数的不同组合使总损失达到最小。例如，例如钱涵欣【3 】以水力损失最小为目标 函数，以断面面积为寻求变量，建立了泵蜗壳第八断面和所有断面的优化数学模 型，并与速度系数法设计的结果进行了比较。由于在泵蜗壳优化设计方面的研究 还不多，在不同的比转数下，需要通过大量的计算和试验来检验。李仁年【4 j 探讨 了一种新的优化设计方法，以蜗壳中的水力损失和泥沙磨损特征值为双目标函 数，将沿着蜗壳周向断面的速度矩分布规律作为优化变量，其结果与等速度矩法 设计的蜗壳进行了比较，结果表明该种设计的蜗壳可降低水力损失，减轻泥沙磨 损。 蜗壳的喉部面积、断面形状、隔舌安放角、蜗壳基圆的大小以及蜗壳进口宽 度等与蜗壳水力设计相关的参数对离心泵的性能有很大影响，很多学者对此进行 了研究。英国著名泵专家a n d e r s o nhh 【5 】于19 3 8 年首次提出了离心泵的面积比 原理，定义面积比为叶轮出口叶片间的过流面积与泵体喉部面积之比，指出面积 比是泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决定因素，于是根据设计资料给出扬程 系数、流量系数和比转数与面积比的关系曲线。w o r s t e rrc 【6 j 于1 9 6 3 年首次提 硕 ? 学何论文 出了与实际试验相一致的数学解释，用数学方法从理论上证明了a n d e r s o n 所提 出的面积比原理的科学性。a n d e r s o n 7 j 于l9 8 0 年对15 0 0 0 台泵的试验资料进行 统计分析，结果用面积比原理预测的泵性能与实际的泵性能相当符合，从而大大 增加了面积比原理的说服力。 我国从2 0l h ：纪8 0 年代初开始引进面积比原理，其后很多学者都为此理论做 了大量的工作使其得以充实和发展。郭白杰等j 对18 台水泵统计表明，对比转 数n 。小于5 0 的低比转数泵来说，实际的面积比与a n d e r s o n 的高效区偏差较大； 刀。在9 0 13 0 范围时可选用偏向下限的面积比值，n 。大于l3 0 时可选用偏向上限 的面积比值。罗崇来一j 根据统计资料对离心泵压水室喉部面积做了讨论，发现泵 体喉部速度系数均明显小于原水泵设计手册和教材所推荐的值，这说明现代泵设 计中有选取较大泵喉部的趋势，以降低喉部速度，从而减小在泵体内的水力摩擦 损失。袁寿其等【1 0 】对面积比进行了理论分析和试验研究，用面积比绘制的扬程 系数和流量系数的形式来修正标准化的设计数据，从整体上把叶轮和泵体这两大 水力部件联系在一起，具有其科学性和发展自订途。杨军虎等【1 1 1 2j 依据离心泵的 面积比原理，推导得出了计算离心泵面积比的计算公式，体现了面积比值和叶轮、 蜗壳的水力参数关系。刘在伦等【l3 】从理论上证明了要获得较高的水泵扬程，面 积比系数y 应小于或等于l ，提出了在面积比系数不变的条件下，泵体不变只改 变叶轮的水泵设计方法。吴仁荣等【1 4 】依据蜗壳式离心泵面积比的设计原理，对 采用相似换算法设计的船用卧式离心泵系列产品的实尺参数和实验数据进行对 照分析，了解两种设计方法的异同，为新产品设计提供参考。郭自杰等【l5 】通过 实验分析从蜗壳截面形状、隔舌间隙、蜗壳喉部面积等方面阐述蜗壳设计参数对 泵性能的影响，研究结果有助于低比转数中小型离心泵的设计和改进。李海权【l 6 】 通过调整蜗壳喉部面积大小，使泵在大流量点获得一条陡降的流量一扬程曲线， 使泵的运行更加节能和安全可靠。何希杰】分析了离心泵隔舌问隙对泵性能的 影响，提出了离心泵隔舌安放角和间隙大小的计算关系式。a t 特罗斯科兰斯基 l l 副的研究表明，叶轮与蜗壳隔舌间应保持极小的间隙，这个间隙的数值与泵的 叶轮直径及比转数有关：比转数越大，此值越大。如果叶轮与隔舌之间的间隙过 小，则泵的噪声增大，效率降低，建议此间隙为r 2 3 0 。同本国立横滨大学的j u n i c h i k u r o k a w a 等l l9 】的研究表明，叶轮出口和蜗壳隔舌之间的径向问隙对效率的影响 比较明显，随着该问隙的减小，泵效率急剧的提高。在n ，= 6 0 情况下，当间隙减 小到a r = 0 0 2r 2 时，效率可提高9 。低比转数泵的压力脉动和噪声并不随着该间 隙的减小而加剧，这是低比转数泵的一种非常理想的特性。 蜗壳进几宽度对离心泵性能影响的数倩研究 1 2 2 流场测试研究 流场测试是最直接、最可靠的研究方法，众多的数值模拟和水力设计都需要 用流场试验来验证其与实际流场的符合程度。 离心泵内部流场测试研究足与测试技术的发展水平相一致的，二- 卜。世纪五六 十年代的实验研究主要集中在应用皮托管对不同流量下叶轮出口和蜗壳出口等 特定点处压力、速度的时均值进行测量【2 0 。2 2 1 。此后，随着激光技术的成熟，精 度更高、试验效果更好的l d v 和p i v 等先进测速仪器得到逐步改进和广泛应用， 试验的结果也越来越具体、准确。从二十世纪七十年代术开始，计算机流场测试 技术可以用来测量过流部件内部的流动结构与压力脉动等动态和微观特性，如 t a t s u j iy u a s a 和t a t s u oh i n a t a 用实验和理论相结合的方法分析蜗壳内部速度、压 力的波动特性，表明速度的波动性深受尾迹的影响，而静压的波动受尾迹影响小 的多，并指出这种波动是产生水力噪声的主要原因【23 1 。m i n e r 与k e l d e r 从势流 理论和实验两方面分析了蜗壳内流场的特性【2 4 。27 1 。t h o m a s 通过激光测速系统测 量了蜗壳内一些点的速度分布，发现速度随切向角的不同变化很大，在隔舌附近 发生分离现象，特别是在偏离设计流量时【2 引。e l h o l m 等【2 9 1 采用l d v 进行了离 心泵压水室内部漩涡流动的实验测量，发现了离心泵压水室截面上的速度分布出 现明显的漩涡，并且漩涡的中心随着流量的增减而变化，在大流量下发现压水室 隔舌处有反向速度出现。d o n g 和c h u 利用p i v 技术测得蜗壳内流场的速度、压 力分布变化及流体对叶轮的作用力，试验观测到流道内水流的脉动并发现脉动受 叶片与隔舌相对位置的影响，并阐述了不同流量下隔舌间隙变化对蜗壳内部流动 的波动、水力噪声及振动的影响，指出产生噪声的主要原因是在隔舌分水区叶轮 出口处流动的非均匀性以及叶轮与隔舌间动静干涉的影响【3 0 。3 3 】。李文广【3 4 】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，蜗壳第、 和断面内的紊流时均流场，发现圆周分速度的变化主要集中在叶轮出口附近， 断面内有漩涡区，漩涡区的扩大、消失与工况和断面位置有关。张武高1 3 5 1 用等 速度系数法设计了矩形断面离心泵蜗壳，在蜗壳侧面沿圆周方向测量了各种流量 下中轴垂面上的压力分稚，并通过激光多普勒测速仪测量了不同流量下蜗壳内的 速度场。压力测量结果表明，离心泵在小流量工况时，蜗壳内沿液流方向的压力 分布呈现出由大变小再变大的分布规律；中高流量工况时，蜗壳内压力分布的“降 速扩压 特征明显。 大量专家学者对离心泵内流场高精度的测试研究，逐渐揭示了离心泵内部湍 流的真实情况，为离心泵的设计及优化提供了更为可靠的依据。 4 硕+ 何论文 1 2 3 数值模拟研究 数值模拟方法是研究水力机械的有力工具。随着计算机科学技术的飞速发 展，以及流动计算模型和数值求解技术的不断完善，数值计算越来越受到人们的 重视。近止电年来，随着计算机技术的进一步发展，对离心泵内流的模拟研究已经 从原来的单叶道单部件的定常计算，发展到了整机定常和非定常流动计算，也就 是从以揭示叶轮内部流动的直观现象为主，扩展到对泵内部各过流部件的水力特 性和部件间相互作用以及对泵整体性能影响的研究上来。 徐朝晖等【36 j 在转动与静止部件问采用滑移网格技术建立交互界面对离心泵 内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算。陈党民等【37 】在三种工况下对部 分流离心泵进行了整机非定常流动数值计算，主要分析了叶轮、蜗壳内典型的流 动结构。郭鹏程【38 】采用“冻结转子法”处理叶轮与蜗壳问动静耦合流动的参数 传递和相互干扰问题，对一离心泵进行定常和非定常的数值研究，捕捉到了离心 泵叶轮内、叶轮与蜗壳问及蜗壳内的压力分布、速度分布和旋涡的结构与演化特 征等重要流动信息。周鹏 39 】对低比转速离心泵不同形式蜗壳与叶轮之问的匹配 关系进行了数值研究，分别将梯形断面、圆形断面和矩形断面三种蜗壳与同一叶 轮组合进行了非定常数值计算，结果表明，不同断面形式蜗壳对离心泵性能及其 内部流动特性有一定影响。 随着计算机计算能力的提高，各种各样的复杂模型都可以进行求解。c f d 计算的精确性已经不再是对其的唯一要求，相比于应用c f d 解决问题，利用c f d 提供的大量信息发现新问题更有意义。压力是反应泵内部流动特征的一个全局性 变量，其动态特征是由泵内部微观流动状态和流动结构如动静干涉、旋转失速等 决定的。压力的动态信息可以从c f d 的计算结果中获取，因此，研究压力脉动 的特性可以更进一步了解泵内部的流念和流动结构。目前，国内外对压力脉动的 研究主要集中在三个方面：动静叶片干涉引起的压力脉动、空化引起的压力脉动 以及旋转失速和进口回流等局部流动结构引起的压力脉动，本文主要关心与蜗壳 有关的动静干涉引起的压力脉动。d r i n g 等人指出动静干涉的两个相关流动机理， 即势流作用和尾迹作用【4 们。在转动的叶轮和静止的压水室间的相对运动引起的 非粘性势流的相互作用，叶轮叶片尾迹对压水室内的流体产生的冲击作用，后者 比前者的作用更加明显和复杂4 1 4 2 1 。w a n g 等【4 3 ，4 4 1 人实验研究了导叶内的压力脉 动，得出其主要频率的压力脉动出现在非设计点时的叶频倍频处。朱荣生等1 4 习 利用c f d 技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟，得到 内部流场特性及计算点的压力脉动情况，指出设计工况和大流量工况下，叶频式 主要影响频率，而在小流量工况下，轴频是主要影响频率，而压力脉动幅值随偏 离工况的情况而变化。徐朝晖采用三维r n g 湍流模型，对高速离心泵中的动静 蜗壳进口宽硬对离心泵。陀能影响| 】数债研究 干涉引起的非定常湍流场进行了计算，并分析了流动诱导的压力脉动特性【4 6 。4 8 1 。 倪永燕等在分析离心泵内部的流动特性时，特别分析了蜗壳内的压力脉动特性 4 9 , 5 0 】。李辰光【5 1 1 对两级双吸离心泵压力脉动特性进行了研究，计算结果反映出 两级双吸离心泵内部流场强烈的非定常特性，通过所监测各点的压力脉动分析了 吸水室、叶轮叶片、压水室以及隔舌等区域的压力脉动特性。瞿丽霞等 5 2 , 5 3 】采 用大涡模拟方法对双吸离心泵内部湍流进行数值计算，研究了叶轮区域流场特性 及叶片表面的压力脉动特性，重点分析了设计工况下5 组隔舌间隙下泵内非定常 流场特性及压力脉动特性。陈斌等【5 4 】对低比转速无过载潜水排污泵叶轮与蜗壳 之间性能匹配进行了研究，针对一个直径3 8 5 m m 的3 叶片叶轮，分别设计了3 种基圆大小不同的蜗壳，通过对3 种模型的非定常数值计算得到监测点压力脉动 特性。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要以数值模拟为研究手段，研究不同进口宽度的蜗壳与叶轮的匹配关 系，分析蜗壳进口宽度变化下蜗壳内部压力脉动特性的表现形式。本文具体的研 究内容如下： ( 1 ) 模型泵的设计、三维造型及网格划分。在保证各模型泵蜗壳断面面积 不变的前提下，以原型泵蜗壳为基础，改变蜗壳进口宽度，再设计出两个进口宽 度与原型泵互不相同的蜗壳，分别与原型泵叶轮组合，作为本文研究所用的模型 泵。运用p r o e 软件对三个模型进行三维造型，然后运用网格划分软件i c e m 对 各模型计算域进行网格划分。 ( 2 ) 对三个模型进行全流场的三维定常计算，对比三个模型的外特性和流 场结构特征，分析不同进口宽度的蜗壳与叶轮的匹配关系，以及蜗壳进口宽度对 离心泵内部流场分布的影响。 ( 3 ) 在定常计算的基础上，对三个模型进行非定常数值计算，分析同一模 型不同时刻下流场分布的主要特征，阐述叶轮与蜗壳隔舌间的动静干涉作用给离 心泵内部流动带来的影响。 ( 4 ) 利用非定常计算的结果，通过蜗壳内命置的监测点分析蜗壳内部压力 脉动特性，并对比分析不同蜗壳进口宽度下离心泵蜗壳压力脉动特性的变化情 况。 6 硕十j 学何论文 第2 章蜗壳的设计及建模 泵的水力性能，尤其是水力损失在很大程度上取决于泵内的流动状况，而流 动状况则与过流部件的几何j 迂、j 和形状密切相关。离心泵主要订叶轮和蜗壳两个 过流部件组成，蜗壳是纯耗能的装备，水力损失可达到泵的总水力损失的一半， 因此蜗壳设计的优劣，对于改善泵的整体性能至关重要。 2 1 蜗壳主要结构参数 蜗壳是离心泵的主要过流部件之一，下面就其主要结构参数的确定方法作详 细的阐述。 。 2 1 1 蜗形体的几种断面形状 蜗形体的断面形状主要有梯肜、矩形、和圆形如图2 1 所示。 ( a ) 梯形断面：梯形断面结构简单，水利性能好，是蜗形体断面中用得最广 的一种。 ( b ) 矩形断面：矩形断面具有与梯形断面相同的优点，适用于各种n 的泵上。s 它的工艺性最好，且断面比较容易打磨或加工，用于材料为铸造后不易光洁的钢 或不锈钢而又要求很光洁的蜗形体上是最适宜的。由于这种断面是等宽的，所以 径向尺寸比梯形断面要略大一些。 ( c ) 圆形断面：如果叶轮出口后即是圆形断面，中间没有过渡区，则由于圆 形断面在叶轮出口处突然扩大，这对泵的水力性能是不利的。圆形断面的优点是 在蜗形体受压后，受力情况比上面两种断面要好。因此这种断面适用于大型的压 力高一些的泵上，在这种情况下，液体流出叶轮后经过扩散导叶再进入圆形断面。 一7 1 工 0 留 | 。3 厂 b 3 ( a ) 梯形断面( b ) 矩形断面( c ) 圆形断面 图2 1 蜗形体断面形状 蜗壳进n 宽度对离心泵性能影响的数值研究 2 1 2 蜗形体的计算 如图2 1 、2 2 所示蜗形体的各参数。 l 图2 2 虫呙形体 ( 1 ) 基圆直径d 1 蜗形体外壁的径向尺寸是沿着蜗形体内液体流动方向逐渐增大的，外壁最小 径向尺寸部位将蜗形体的扩散管部分与蜗形体部分隔丌，称之为隔舌。通过隔舌 起点的圆称为基圆，其直径以取表示。显然基圆直径d 3 应大于叶轮外径d 2 ，且 叶轮与隔舌之间应有一定的间隙，间隙太大，除增大泵的径向尺寸外，还使泵的 效率降低。此问隙也不宜太小，因为间隙太小将难保证从叶轮出来的液体均匀地 进入蜗形体，且间隙太小还可能引起振动和噪音。通常取 d 3 = ( 1 0 3 - - 1 0 8 ) d 2 ( 2 1 ) 对比转数较高，或尺寸较小的泵取大值，反之取小值。 ( 2 ) 蜗形体进口宽度6 1 蜗形体进1 ：3 宽度6 1 通常大于包括前后盖板的叶轮出口宽度易，至少有一定 的间隙，以补偿转子的窜动和制造误差。目前，有些蜗壳的6 3 取的相当宽，这样， 使叶轮前后盖板带动旋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。另外可适应不同宽度的叶轮，提高产品的通用性。通常 6 3 = 哎+ ( 5 1 0 )( m m ) ( 2 2 ) ( 3 ) 隔舌安放角编 隔舌位于蜗形体螺旋部分的始端，将螺旋线部分与扩散管隔开。一般将通过 隔舌起点( 即蜗形体与基圆相交的点) 的断面称为o 断面，第八断面与0 断面之 间的夹角仇称为隔舌安放角。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。通常对于比转数恢越高的离一t l , 泵，轴而速度越大，螺 旋角也越大，蜗壳外壁向径向扩展越大，因而取较大的隔舌安放角仇，以使形 状协调，反之亦然。如表2 1 所示为隔舌放角随比转数的经验数值。 硕十学何论文 表2 1 隔舌安放角平比转数n ，的关系 致 3 0 8 09 0 l3 01 4 0 2 2 02 3 0 3 6 0 o o 15 01 5 。2 5 0 2 5 0 3 8 0 3 8 0 4 5 0 ( 4 ) 舌角纸 蜗形体隔舌的舌角口，一般取 吧= a r c t a n 23 吧=i 巡l ( ) ( 5 ) 蜗形体各断面面积的计算 计算蜗形体各断面面积时，是把蜗形体中的圆周方向平均速度看作常数来设 计的。计算时先根据n s 在蜗形体中的速度系数图中查得尼，求出各断面中得平均 速度 屹= k 3 4 2 9 h ( 2 4 ) 式中u 蜗形体各断面中的平均速度( m s ) ； 泵的扬程( m ) ； g 重力加速度，g = 9 8 1m s 2 ； 效速度系数。 通过i 断面的流量为 q = 等q ( 2 5 ) 式中隔舌安放角( 。) ； q 泵的流量( m 3 s ) 。 断面面积由下式求得： ：盟 ( 2 6 ) 其他各断面的面积可按下式计算，即 5 志 ( 2 7 ) 式中巴包角为伊的某断面面积( m 2 ) ； 矽某断面的包角( o ) ； 第断面的面积m 2 。 ( 6 ) 扩散管 蜗形体扩散管部分的作用在于降低泵压出1 5 1 的液流速度，使液体一部分动能 转变为压力能，减少压出管路的水力损失。 9 蜗壳进n 览腰对离心泵性能影响的数值研究 扩散管的进口可看作是蜗形体的断面，其出口是泵的压出口。扩散管的长 度，在保证扩散角和加工及螺栓连接的条件下，应尽量取小值，以减小泵的尺 寸；压出e 1 直径仍，应符合经济流速和标准直径，便于加工和装拆法兰螺栓。 另外，为了减小扩散损失，扩散角p 应在8 0 l2 0 的范周内。 囚扩散管的断面( v l i i 断面) 不是圆形，所以只能求出蜗形体扩散铽：的当量扩 散角9 ，其计算式如下： t a n 昙：( 仍一d v a ) 2 l ( 2 8 ) 式中口扩散管当量扩散角； 仍压出1 3 直径； d 断面当量直径，d = 4 n ； l 扩散管长度。 2 1 3 蜗形体梯形断面计算方法 蜗壳断面绘制过程中，有时甚至要多次修改，每修改一次都要用求积仪或用 方格纸来量一次面积，而且测量的面积有误差。为此本文利用文献【5 5 】中的计 算方法确定梯形断面尺寸。 耿安放角妒对应梯形截面的一半，其面积为以，如图2 - 5 所示，则安放角缈 对应截面面积为= 2 4 ，彳匆= 垒2 ，o e = o f = ，么g b c = ，彳。= h 。 梯形a b c d 的面积为 图2 3 梯形截面面积计算方法 l o 硕十学何论文 ,i i 鼍量量鼍皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼量寡鼍寰曼曼皇曼寰曼曼曼曼皇曼皇皇曼曼曼曼曼量曼曼曼! 曼笪曼曼曼 梯形截面面积为 扇形嘶积为 四边形e o f c 面积为 所以 鸽= 爿。+ 4 + 4 = 羔垦! 掣 ( 2 9 ) a 。= a i + 4 4 = 知詈+ ) 4 + 4 t a n ( 孑呜) 4 = 4 + 4 4 t a n ( 三呼) _ ( ；呜) 】 妒4 4 = ( b 3 + 丁h t a n y 妒) h 一名2