（流体机械及工程专业论文）旋喷泵设计、大涡数值模拟及试验研究.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单级离心泵，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。国外对旋喷泵的研 究及生产应用技术相对比较成熟，但研究报道却很少见。国内在旋喷泵的研究方 面起步较晚，在设计和应用方面还存在很多不足。 本文在综合分析国内外旋喷泵研究历史和现状的基础上，对旋喷泵的水力设 计尤其是叶轮和集流管的水力设计进行了探讨，设计出了不同形式的旋喷泵模型， 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 si c e m 和c f x ，采用 大涡模拟方法，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，最后按照性能较好 的模型泵制造泵实型，进行试验验证。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，对旋喷泵 的设计理论进行探讨，主要集中在叶轮和集流管的水力设计。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，根据数值模拟结果，对比分析了集流管进口 形状和翼型对泵性能的影响，结果表明：集流管进口形状对集流管内部的压力和 速度分布有重要影响；集流管翼型能有效改善转子腔内部的压力和速度分布，减 少能量损失，可以提高泵的效率。通过对比分析得到性能较好的模型泵。 3 、对性能较好的模型泵内部的非定常流场在三种工况下的压力脉动特性进行 时域和频域分析，发现泵内压力脉动最大处位于叶轮处出口处；叶轮转频是影响 压力脉动的主要因素。 4 、对旋喷泵内部两相流动进行了初步分析和探讨，分析了两相流动时旋喷泵 内部的流动特征和不同条件下固体颗粒对壁面的磨损情况。 5 、按性能较好模型泵制造泵实型，进行试验。并把试验所得到的数据和模拟 的数据相对比，验证数值模拟的可靠性。 关键词：旋喷泵，大涡模拟，压力脉动，试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o t o - j e tp u m pi san e wk i n do fs i n g l e - s t a g ec e n t r i f u g a lp u m p 丽t hv e r yl o w s 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 yt 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 t m a i n l ya p p l i e di 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 r i n j e c t i o ni no i lf i e l d ，a n ds oo n t h er e s e a r c ha n da p p l i e dt e c h n o l o g yo fr o t o - j e tp u m p i nf o r e i g nc o u n t r i e sa r em o r em a t u r e ，b u tt h er e l a t i v er e p o r t sa r er a r e t h er e s e a r c ho f r o t o - j e tp u m pi no u rc o u n t r yi sl a t t e rt h a no t h e rc o u n t r i e s ，i ta l s oh a ss o m ed e f i c i e n c i e s i nd e s i g na n da p p l i c a t i o n 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 fr 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 nh y d r a u l i cd e s i g no ft h ei m p e l l e ra n d c o l l e c t i n gp i p 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 dt h ep h y s i c a l m 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 p b yp r o e b yu s i n ga n s y si c e m ， c f xa n dw i t hl a r g ee d d ys i m u l a t i o nm e t h o d ，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 t p u m pw a sc a l c u l a t e d t h o u g ht h ec 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 d i 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 sb 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 l p u m pw a sp r o d u c e d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep u m pw a sd o n et oc o m p a r et ot h e s 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 ri 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 s i 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 i y t h ed e s i g nt h e s i so ft h 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 nh y d r a u l i cd e s i g no fi m p e l l e ra n dc o l l e c t i n gp i p e t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h e c o m p o n e n t so f t h ep u m pw a ss e tu p b yp r o e 2 b y u 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 er o t o j e tp u m p w a sc a l c u l a t e dw i 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 es i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h ei n l e tt y p eo fc o l l e c t i n gp i p ea n dt h ew i n gi m p a c t i n go 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 t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w ：t h ei n l e tt y p eo fc o l l e c t i n gp i p eh a sa ni m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ec o l l e c t i n gp i p e t h ew i n gc a l l e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，r e d u c ee n e r g yl o s s ，a n di m p r o v et h ep u m p p e r f o r m a n c e f r o m t h ea n a l y s i s ，t h ep u m pt h a th a sb e t t e rp e r f o r m a n c ew a sf o u n d 3 u n d e r3c o n d i t i o n s ，t h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sw a s a 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 i tw a sf o u n dt h a tt h e m a x i m u m a m p l i t u d eo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n st a k e sp l a c ea tt h eo u t l e to fi m p e l l e ra n dt h e b l a d e sp a s s i n gf r e q u e n c yi st h em a i nf a c t o ro fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s i 江苏大学硕士学位论文 4 t h o u g ht h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i sa n dd i s c u s so ft w o p h a s ef l o wi nt h ep u m p ，t h e i n t e r i o rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n de r o s i o no nt h ew a l lb ys o l i dp a r t i c l e su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d 5 t h er e a lm o d e lp u m pw a sp r o d u c e da c c o r d i n gt ot h em o d e lp u m pw i t ht h eb e s t p e r f o r m a n c e s o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sd o n eo nt h er e a lp u m pa n dt h ed a t a o b t a i n e db yt h ee x p e r i m e n tw a sc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nd a t a k e yw o r d s ：r 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 ，p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ， e x p e r i m e n t 江苏大学硕士学位论文 6 ：宽度，m j n d ：直径，m m e ：相对误差， 只：截面面积，i n i l l 2 g ：重力加速度，m s 2 日：扬程，m 昧分离室高度，m m h f ：突台高度，m i l l ，：湍流强度， k ：湍动能，m 2 s 2 三：水力直径，m h 湍流长度尺度，i n 以：转速，r m i n ：比转速 p ：功率，w p 跏：泵进口总压，p a ：泵出口总压，p a q ：流量，i n 3 h r e d h ：雷诺数 死整周期，s r ：叶片通过周期，s 1 1 ：速度矢量，m s “：x 方向速度，m s 1 ，：y 方向速度，m s w ：z 方向速度，m s v m ：轴面速度，m s z ：叶片数 日：分离宦螺旋角，度 符号表 i v 唧：气体相体积分数， ：液体相体积分数， ：湍动能耗散率，m 2 s 3 刁：效率 r h ：水力效率 珈：容积效率 ：机械效率 ：动力粘度，p a s 口：分离室中心角，度 仇：突台直径，m i n q 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 纬：气相密度，k g m 3 伪：液相密度，k g m 3 0 3 ：角速度，r a d s 下标： i i l ：泵进口 o u t ：泵出口 1 ：叶轮进口 2 ：叶轮出口 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， 同意学位论文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论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：为同靖 指导教师签名： o 年p 月驴日 i 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。除文中已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 的研究做出鼋要贡献的个人和集体，均已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：为同群 1 日期：o 年f 乙月pe i 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论帚一早珀了匕 旋喷泵是一种新型极低比转速单级离心泵，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。这些优 越性适应了航空航天、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，受到越来越多用户的青睐。例如：在食品行业中，清理系统的喷枪是根 据需要来进行清理的，它不仅要求提供动力的泵能提供很高的扬程，而且能在很 大的流量范围内运行，其他类型的泵如高速泵等的流量范围比较窄，不能满足上 述要求，而旋喷泵则能很好地满足这种要求。此外旋喷泵作为原料输送泵也有较 好的表现，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。由于碳黑原料的特殊性，对输送原料的泵，除需要保温、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。 旋喷泵的结构和工作原理都很特殊，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部件的束缚，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，而且密封可靠性强，仅需在泵低压进口 处安装机械密封，避免了高压泵普遍存在的高压密封难题。其流量特性曲线平滑， 液体压力输出脉动很小，是值得进行研究并在相关行业中进行推广应用的一种新 泵型。 国外对旋喷泵的设计及生产应用技术相对比较成熟，但研究报道却很少见， 国内从9 0 年代开始引进旋喷泵，一些学者对旋喷泵的设计方法及试验做了一些分 析和研究，取得了一定的成果。但是由于设计理论不太成熟，一些参数的选取都 是按经验选取的，而且数值计算方面主要集中在旋喷泵内部流场定常计算方面。 因此本课题对旋喷泵设计理论和设计方法进行探索研究，通过数值模拟分析旋喷 泵内部非定常流场的流动状况，可为旋喷泵的优化设计提供参考资料。 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。 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 江苏大学硕士学位论文 的集流管。流体从进+ e l 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，在转子腔的内擘处流体速度能达到晟大值，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i l i 。这使得旋喷泵能产生很商的扬程。其结构示意图如图l _ l 所示。 ；i 托= 引；? 私分， 固1i 旋喷泵结构原理图 其主要特点主要有以下几个方面1 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16 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，运彳_ j ：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_ 】二查 找问题和维护。 6 ) 效率比问比转速离心泵高。旋喷泵叶轮和转了腔同步旋转，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 速离心泵的效率要高。 此外，旋喷泵还可以通过改变转速或政变集流管的进口直径来改变泵的扬程。 江苏大学硕士学位论文 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 旋喷泵国内外发展研究概况 国外研究旋喷泵的时问较早，1 9 2 3 年f w k r o g h 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。但当时的泵是开式的， 直n - - - 十年代人们才研制出了闭式的旋喷泵。当时只处于研究阶段并没有生产应 用。二战中，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，他们选择了旋喷泵。二战结束后，旋喷泵的研究被搁浅。直到2 0 世纪 6 0 年代，出现了封闭的转轮和封盖后，二者组成了一个径向的旋转叶轮，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，并在6 0 年代的美国出现了旋喷泵的专利。7 0 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，旋喷泵开始走向市场。7 0 、8 0 年代国际 上出现了一个关于旋喷泵的专利高潮。目l j 国外的旋喷泵的发展逐渐系列化，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【3 1 。 国外论文研究报道的还很少见，s t e v eo s b o r n 介绍了旋喷泵2 5 年来的发展历 史【4 】，t h o m a sl a n g e l 等介绍了旋喷泵与一种开关磁阻电机的组合，这种新的组 合使得旋喷泵结构更加紧凑，并使泵的调节变得更加方便【5 】。 国内对旋喷泵的研究起步较晚，而且国内的发展走基本上是引进介绍一消化 吸收一开发生产这样一条路线。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【q 。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同。1 9 8 9 年北京化工机械厂丌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 3 江苏大学硕士学位论文 有2 台泵在天津炭黑厂进行了工业性考核试验，使用良好。经过他们的试验验证 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 。 随着旋喷泵的引进，国内开始了对旋喷泵的工作原理、工作特点、水力性能 等方面的研究，并取得了一定的成果。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。通过求解沿准正交而与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【8 l 。王成木等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 1 。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f 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训1 1 1 。 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【1 3 】。 总之，国外在旋喷泵研究发展方面有较大的优势，但相关的研究报道和技术 资料还很少见。国内的情况与国外相比有一定的差距，但国内近些年来对旋喷泵 的研究也在不断进展之中，虽然目前国内的研究还集中根据经验进行理论设计以 及数值计算集中在定常计算方面，随着旋喷泵的不断推广使用，旋喷泵的研究也 将不断深入下去。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 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，制造泵实型，进行试验验证。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。 2 、根据设计参数，利用三维造型软件p r o e 对旋喷泵进行三维造型，运用a n s y s i 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 对旋喷泵内部三维非定常流场进行数值模拟，根据模拟结果，分 析集流管进口截面和翼型对泵性能的影响。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 、对旋喷泵内部非定常流场的压力脉动特性以及两相流动进行初步探讨。分 析影响压力脉动的影响因素，以及两相流动情况下的流动规律。 5 、根据数值模拟结果对比分析得到的模型泵，加工生产泵实型，将试验结果 和数值模拟结果做对比，进行试验验证。 5 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 旋喷泵属于极低比转速离心泵，其比转速一般在3 0 以下。其小流量高扬程的 运行特点决定了它具有不同于一般离心泵的一些重要外特性，如叶轮直径较大、 出口宽度较小、效率低等。由于旋喷泵成功避免了圆盘摩擦损失，因此在设计过 程中不能完全按照一般低比转速离心泵的设计方法。本文在参考不同设计资料的 基础上，主要对旋喷泵主要过流部件的设计方法和参数进行了分析、探讨，总结 其主要过流部件的参数设计方法和取值范围，并利用a u t o c a d 、p r o e 软件对旋喷 泵过流部件进行绘图和三维造型。 2 1叶轮水力设计 2 1 。1 叶轮设计理论 由离心泵欧拉方程： q = 警( 旷v 2 c t g p z ) 一半( 2 - 1 ) 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历，但是 过大的历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。 因而流量一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 4 1 。 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，由于它没有圆盘摩擦损失，所以旋 6 江苏大学硕士学位论文 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。 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4 的确定【1 5 j 叶轮的外径d 2 可依据如下经验公式确定： d 2 ：竺( 乌 翮缈 ( 2 2 ) 注：在传 3 0 ，刀= 2 9 0 0 r r a i n 时，笔者建议取缈2 0 6 7 2 、短叶片入口处直径皿的确趔1 6 】 在叶片数较多的情况下确定皿的一个准则。 0 9 堕堕1 7 彤 ( 2 3 ) d l = 0 4 0 6 ( d 1 + d 2 ) ( 2 4 ) 式中、彤叶片进口、出口和短叶片起始处的液流相对速度，m s 3 、叶片出口安放角p 2 1 7 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 履9 5 0 7 江苏大学硕士学位论文 萎 跹 1 i t 2 3 履对驼峰性能的影响 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 1 为： 4 z 1 8 ( 2 5 ) 出口叶片数乙： 互= 磁 k = 1 ，2 ，3 ( 2 6 ) 5 、叶片进口安放角层 考虑进口安放角层对汽蚀性能的影响，结合设计经验，叶片进口安放角层取： 1 5 。- a 2 5 。( 2 - 7 ) 6 、叶片出口宽度吃 由于流量小，旋转喷射泵的叶片宽度较窄。相关文献给出了旋转喷射泵叶轮出 口宽度乞的预估公式【l8 】： 嘶3 5 ( 志) ( 譬) 郇盯8 。( 射( 吖 p 8 ， 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，吃取值一般比上述范围大1 0 。3 0 。 7 、短叶片在流道, - p 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 量尽可能相等。据此，设计叶轮时可以取值为： 8 江苏大学硕士学位论文 是s = 1 3 1 6( 2 - 9 ) 式中：墨为短叶片距背面的周向长度，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【1 9 1 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 f 2 f , l 8 ( 2 1 0 ) 式中：e 、e 分别为流道出、入口面积。 2 2 集流管水力设计 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间的关系对集流管的设计而言尤为重要。 1 、集流管的进口直径西： 由 根据 图2 4 集流管结构示意图 9 q = a x v x l 1 a = 刀西2 4 ，。例2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 这里矽为集流管入口处的流速系数，初步计算时取： 矿= 0 5 0 6 ， 得 面= 器 ( 2 - 1 4 ) 式中：v 是集流管管嘴入口速度；r 是集流管入口处的效率 2 、集流管出口直径以 集流管的出口直径以根据标准管道尺寸选取，其值等于泵出口直径见 即 见= ( 0 7 1 0 ) 见 b = 偿 以= 见 其中k 是泵进口流速，b 、仍是泵进、出口直径。 3 、集流管的扩散段长度l 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： ，l ：丝一面一一d 3 ( 2 - 1 5 ) 22 - 4 、集流管的最佳扩散角口 集流管扩散段流体损失包括进口损失卸j 、弯管损失瓴、沿程摩擦损失蛾和 扩散损失瓴，共4 部分，各部分损失分别为： 进口损失： l 图2 5 扩散段示意图 卸，= 缶瓦v 2 ( 2 - 1 6 ) v = ( 0 5 0 6 ) 比2 ，缶= 0 2 1 0 江苏大学硕士学位论文 其中：v 为集流管进口速度 弯管损失： y 2 卸，= 幺_ z g 式中 乞= 0 2 2 沿程摩擦损失：令 刀= a a 2 = d 呜2 ：2 其中：a 一扩散段进口面积；a 一扩散段出口面积； 进口速度；e 一扩散段出口速度； 沿麟擦舭蛾2 袁8 s i n ( h 2 ) 丢 二5 其中： 厶：华 扩散损失： 式中 瓴= 七( 1 一寺) 2 善 k = s i n 口当口2 0 0 集流管的扩散总损失： a p z = 卸，+ 卸。+ 卸) ，+ 瓴 瓴= ( 2 1 7 ) 口一扩散角；k 一扩散段 去( 1 一卦尼( 1 一言 2 8 s i i l 竺l 刀2 ll以j 2 ( 2 1 8 ) 竖(2-19)2g 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 d a p d ：o 整理得： 篆( 1 一身七扣 江苏大学硕士学位论文 等筹：击cosmd ( 2 _ 2 。) 五 2 2 + 西2 s i n 2 曼c o s 竺 r 一7 由图2 2 3 得： 差=警(2-2tg5 - 1 )2 等1 ) -t- 由式( 2 - - 2 0 ) 口- 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，再修正口，重新计算，直到 合适为止【2 0 1 。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。 2 。3 旋喷泵设计计算及二维绘图 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：a = l o r e 3 h ，h = 1 8 0 m ，转速为，l = 2 9 5 0 r m i n 。通过比转速公式 计算得，该泵的比转速为：他：兰箜警厘：3 6 5 x 2 9 5 0 x 竖盟1 0 _ ：1 1 5 。 h 4 1 8 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 5 0 ，叶片出口角屈= 8 8 0 ，叶片出口宽度吃= 1 2 r a m ，叶片数 z = 8 + 8 ，为8 个长叶片和8 个短叶片。长叶片进口直径d 1 = 8 0 m m ，短叶片进口 直径皿= 1 7 5 m m ，叶轮外径d 2 = 3 5 0 m m 。 劲集流管设计 经过计算，得到集流管的几何参数为：进口直径吐= 1 2 m m ，出口直径 d 3 = 3 3 m m ，扩散段长度l = 1 3 9 m m ，扩散角口= 2 6 0 。 江苏大学硕士学位论文 3 ) 集流管翼型设计 集流管伫立在高速旋转的转子腔中，圆形或椭圆形的截面形状势必会产生旋 涡，损耗掉一部分水头，增加绕流损失，而且转速越高，损失占的比例就越大。 这样就有必要把集流管的外部设计成翼型，以减少绕流造成的水头损失【2 1 】。有资 料显示：相同迎流面积的物体，一个是圆柱截面，一个是流线型的翼型物体，其 阻力系数分别是1 2 和0 0 6 ，相差2 0 倍之多。由于没有确定的理论精确进行集流 管外部的翼型设计，本文在设计中采用的是n a s a 0 0 2 4 翼型，该翼型为对称翼型且 其骨线为直线。经比例换算后得到其设计参数如下： 图2 6 比例换算后的翼型 钔转子腔内部直叶片设计 为了增加转子腔内部流体的能量，以提高叶轮的扬程，在转子腔内部增加附 加直叶片，并以嵌入的方式加在转子腔内部( 如图2 9 所示) ，直叶片的高度为 1 4 0 m m ，长和宽分别为5 m m 和4 r a m 。 ，2 3 2 旋喷泵过流部件的二维绘图 1 ) 复合叶轮木模图 根据相关资料捌设计出复合叶轮木模图如下： 江苏大学硕士学位论文 长叶片坐标： 图2 7 叶轮木模图 角度 o1 02 03 04 05 06 07 08 0 工作面 3 53 8 7 4 3 3 4 8 9 5 5 36 3 0 7 1 88 2 79 5 2 背面 3 4 23 6 33 9 54 4 25 0 35 7 86 6 97 7 58 9 8 角度 9 01 0 0 1 0 2 1 0 3 工作面 l1 01 4 1 41 7 5 背面 1 0 4 71 3 1 1 4 5 11 7 5 短叶片坐标： 角度 5 35 46 07 08 08 1 工作面 8 8 69 8 61 1 4 31 7 5 背面 8 7 59 1 31 0 8 91 4 8 7 1 7 5 2 ) 集流管水力图 根据上述集流管水力设计方法，在给定参数下得到集流管内部结构水力图如 下： 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 8 集流管水力图 3 ) 根据叶轮水力图和集流管水力图设计出转子腔内部水力图为： 图2 9 转子腔内部结构图 江苏大学硕士学位论文 2 4 过流部件的三维造型 2 4 1 三维造型技术概述 三维造型技术是c a d 技术发展的重要标志，也是核心之一。二维c a d 技术只是 将传统的设计方法转移到计算机上进行，主要是计算机绘图技术，这相对于传统 的人工绘图无疑是一大进步。随着c a d c a m 技术的发展，三维造型技术为三维设 计提供了坚实的基础。 三维造型技术包括线框造型、曲面造型、实体造型和参数化造型【矧。 1 线框造型 线框造型是利用零件形体的棱边和顶点表示零件几何形状的一种造型方法。线 框造型具有点、直线、圆、各类二次曲线、样条曲线和组合曲线等几何元素的定 义功能，也可以对已生成的线框元素进行修改和各种处理( 修剪、延伸、限制、劈 开、偏置等1 来生成几何元素，还可以由曲面求交，曲线在曲面上的投影和曲面的 边界曲线等方法来生成。但由于仅存储了顶点和棱边的信息，因而难以进行形体 表面交线计算、物性计算和消隐处理。目前，线框造型主要用于二维图和作为其 他造型技术的一种辅助工具。 2 曲面造型 曲面造型通过有向棱边构成形体的表面，用面的集合表达相应的形体。曲面造 型是进行复杂型面数控加工编程的前提，一个c a d c a m 软件曲面功能强弱不仅体 现在曲面生成功能的强弱，而且也体现在曲面处理功能的强弱。曲面构造方法主 要有：由在同一平面上的封闭曲线生成平面，由曲线绕轴生成旋转面，由多条空 间曲线生成放样曲面，一条曲线沿另一条曲线生成的扫描面，一条或多条曲线沿 几条轨迹线生成的扫描面，可控制与相邻曲面曲率连接关系的由边线生成的曲面， 曲面与曲面光滑连接曲面，曲面边界线的倒圆角面，由相交的曲线网络所形成曲 面等。曲面编辑的功能有：通过曲线投影、曲面相交、几何投影等方法生成在曲 面上的裁剪线，然后进行曲面裁剪、分段，曲面的延伸、偏移、组合、光顺等。 但由于曲面造型不能完整的表达物体形状，因而曲面造型所产生的形体描述难以 直接用于物性计算，并难以保证物体描述的一致性和有效性。 3 实体造型 实体造型可采用的方式为：基本实体定义( 正方体、长方体、圆柱体、锲体、 1 6 江苏大学硕士学位论文 球体、环体等1 ；用_ _ 二维封闭图形通过平转、旋转、沿某一曲线运动等方法来生成 实体；通过边界曲面的缝合来生成多面体；通过布尔运算( 并、差、交、截切等) 产牛复杂实体。实体造型克服了线框造型和曲面造型的局限性，可全面完整的描 述形体，具有完备的信息，可自动地计算物性，检查干涉，消除隐藏线和剖切形 体等。 4 参数化造型 参数化造犁是一种尺寸驱动系统，它不仅可使c a d 系统具钉交互式绘图功能， 还具有自动绘图的功能。采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定组尺 寸作为参数与几何约束集相联系，因此改变尺小值就能改变图形，使用参数化造 型技术可咀十分方便地实现复杂的三维零件实体造型，复杂装配图和生成工程图。 利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎 的绘图工作中解脱出来可以大大提高设计速度并减少信息的存储量。其主要技 术特点为：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 242 过流部件的三维造型 本文运用p r o e n g i n e e r 造型软件，首先在统一的坐标系f 进行各过流部件的 三维造型，然后利用装配命令将各过流部件组装在一起。备过流部件的三维造型 如下： 敝 熊 图2 1 0 叶轮流道图2 1 1 集流管流道 江苏大学硕士学位论文 图21 2 转子腔流道 江苏大学硕士学位论文 第三章湍流基本理论及数值模拟方法 3 1 湍流基本理论 3 1 1 湍流基本方程 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和一s 方程对于湍流 的瞬时运动仍然是适用的。在此，考虑不可压流动，使用笛卡尔坐标系，速度矢 量u 在x ，y ，z 方向的分量为材，w ，写出湍流瞬时控制方程如下： d i v u = 0 ( 3 - 1 ) 塑+讲，以云)：一!孚+odiv(gradu)ot 、7 p 缸 o 甜v + d i v ( v u ) 一去考+ 咖( g r a d v ) ( 3 - 2 ) 坐+饿，(而)：一!至+odiv(gradw)ot 、7 p0 z 为了考虑脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把湍流看作是 两个流动的叠加，一是时间平均流动，二