（化工过程机械专业论文）清洗机器人过流系统优化设计与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 水池、游泳池、油污池等的清洁问题十分重要，尤其是附着在水池墙上和底部 的藻类和沉淀物必须要被清除，从而使液体的质量保持在一定的范围内。若这些工 作由清洗机器人来完成，既节省人力，又自动、方便。 以游泳池内的清沈机器人为例，潜水电机启动后，清洗机在游泳池内爬行，爬 行刷对池壁表面进行洗刷，含杂质的水被清洗机从底部不断吸入，经过内置进水滤 网过滤，污垢和沉淀物被留在过滤袋中，过滤水从出水弯管排出。现有清洗机的电 机转速高、功率消耗大，为了改变这一不足，延长机器寿命并减少配电系统的成本 支出，本文所做的主要工作和取得的成果有： ( 1 ) 从定量的角度分析了保证清洗机正常、平稳运行的条件，并导出了附着力 的计算公式。从清洗机结构分析，确定了构成附着力的每一项。 ( 2 ) 用实验测定了清洗机器人过流量与水力损失之间的关系，确定了改造叶轮 的设计流量、扬程与转速，并保证新叶轮与旧叶轮装配的互换性。试验结果表明： 新改造的叶轮使得清洗机功率消耗大幅度降低，清洗机附壁有力，运行平稳，且清 洗机的流量一功率特性曲线为缓降型，新叶轮改造达到了预期的目标。 ( 3 ) 结合c f d 软件，采用s i m p l e c 算法及修正了的k s 湍流模型，把清洗 机器人主要过流系统作为一个整体，对不同优化方案下的流场进行了数值计算。讨 论了在出水盒不同位置安置挡水块的优化方案下，功率消耗、湍动能和效率等参数 的变化。 ( 4 ) 详细分析了底部附着力，构建了底部水体模型并进行了数值模拟。为了得 到底部沿长度方向的压力分布值，利用编程方法将底部数据从f l u e n t 中导出并处 理，绘出了底部压力分布曲线。提出了优化方案，在保证清洗机正常、平稳运行的 基础上，使流量降低，最终达到进一步降低功率消耗的目的。 ( 5 ) 根据底部优化方案，按改变后的流量重新设计叶轮并进行了数值模拟，结 果显示进一步降低了功率消耗。 关键词：清洗机器人，附着力，优化设计，数值模拟 江苏大学硕士学位论丈 a m a j o rp r o b l e ma s s o c i a t e dw i t hp o o li sc l e a n i n g s w i m m i n gp o o l ，p o o la n d o i lp o o l a l l lo ft h e mh a v et ob ec l e a n e dd a i l y t h ew a t e rq u a l i t ym u s tb em a i n t a i n e dw i t h i nc e r t a i n b o u n d s i na d d i t i o nv a r i o u sa l g a ea n do t h e rd e p o s i t sa u a c ht ot h ew a l l sa n df l o o ro ft h e p 0 0 1 t h e s ef o r e i g np r o d u c t sm u s tb er e m o v e d i np r i v a t ep o o l s t h i si so f t e nc a r r i e do u tb y s m a l lc l e a n i n g r o b o t t h a tt r a v e r s et h ep o o lc o v e rt h ee n t i r ef l o o ra n da l lw a i l s f o r e x a m p l e ，i nas w i m m i n gp o o lt h ec l e a n i n gi sc a r d e do u tm a n u a l l y t h ec l e a n i n gi s c a r d e do u tu s i n gab r u s ha u a c h e dt oa l lu n d e r w a t e rp u m p ，t h a th a sa na s s o c i a t e df i l t e rb a g o nt h ee x h a u s tp i p e ，w h i c hc a t c h e sd i r t ，a n dd e p o s i t s t h i si ss i m i l a rt oa nu n d e r w a t e r v a c u u mc l e a n e r m a n u a lc l e a n i n gi st e d i o u sa n db o r i n g ，a n dt h e r ei st h u sa ni n t e r e s ti n a u t o m a t i n gt h et a s k b u tt h ep o w e rc o n s u m m a t i o no fa u t o m a t i cc l e a n e ri sh i g ha n d r o t a t i o ns p e e di sh i g ht o o ，s ow en e e dt or e d u c et h e m ，t h u sl e s st h ec o s to fe l e c t r o ns y s t e m a n dp r o l o n gt h er u n n i n gl i f e ，t h ei m p e l l e ro fa u t o m a t i cc l e a n e rs h o u l db er e d e s i g n e da n d o p t i m i z e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h ep a p e r a r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) c o n d i t i o nt h a tm a k em a c h i n e r u ns t e a d i l yw a so b t a i n e db yq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，s o t h ea d s o r b i l i t ye x p r e s s i o n sw a sg i v e n i nt h es a m et i m e ，b o t t o mc o n s t r u c t i o nw a sd i s c u s s e d ( 2 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nf l u xa n dh y d r a u l i c sl o s sw a sg a i n e db ye x p e r i m e n t s ，n e w i m p e l l e r sa i mf l o wr a t e ，h e a da n dr o t a t i n gs p e e dw e r em a d ec e r t a i n ，n e wi m p e l l e r sc a n e q u i pi nf o r m e ra u t o m a t i cc l e a n e rs u c c e s s f u l l yt h ef i n a le x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ， n e wi m p e l l e r sp o w e rf a l l sal o t ，a u t o m a t i cc l e a n e rc a na t t a c hi t s e l ft ot h ew a l lc l o s e l ya n d r u nc a l m l y , a u t o m a t i cc l e a n e r sf l o wr a t ea n dp o w e rc h a r a c t e rc u r v ep r e s e n t sf a l l i n gt r e n d t h er e b u i l d i n ga i m sc o m et r u e ( 3 ) b a s e do nc f ds o f t w a r e ，c l e a n i n gr o b o tw i t hd i f f e r e n td e s i g n sw e r es i m u l a t e db y t h es i m p l e ca l g o r i t h ma n dt h er e v i s e d 协m o d e l t h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，t u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g y ，e f f i c i e n c ya n de x t e r n a lp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h t h o s eo fd i f f e r e n td e s i g n s ( 4 ) t h r o u g ha n a l y s i so ft h ea d s o r b i l i t yc a u s e db yn e g a t i v ep r e s s u r e ，am o d e l o fb o u o m w a t e rw a sc o n s t r u c t e du s i n gp r o es o f t w a r e ac u r v eo fb o a o mp r e s s u r ew a sd r e wu p f r o mt h ed a t a ，t h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o dw a sa c q u i r e d ( 5 ) i m p e l l e rw a sr e d e s i g n e db a s e do nt h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o da n ds i m u l a t e d a 3 dm o d e lf o rs i m u l a t i o nw a sc o n s t r u c t e d t h u sa n o t h e rm e t h o dt or e d u c ep o w e r c o n s u m m a t i o no fc l e a n i n gr o b o ti sf o u n d b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：c l e a n i n gr o b o t ，a d s o r b i l i t y , o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 做出重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：矽敛 日期：2 0 0 9 斜明7 日 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：嗷指导教师签名： j 功年肚月刁日劲9 年j2 月2 j 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 清洗机器人的研究现状及发展趋势 1 1 1 清洗机器人的研究概况 水池、游泳池、油污池等的清洁问题十分重要。由清洗机器人来完成这项工作， 既省力又方便。本文以游泳池内的清洗机器人为例予以研究，研究成果同样适用于 其他领域。 美洲、欧洲等发达国家的宾馆、饭店、社区、学校、个人家庭等场所普遍设有 游泳池，同时配备大量的游泳池清洗设备，称为清洗机器人，可在无人看管的情况 下对游泳池底部及池壁进行彻底洗刷，同时对池水进行持续、细致地过滤，去除水 中沉淀物，以保持池水的清洁与卫生。这种机器的使用既能够减轻繁重的体力劳动， 又能够节约宝贵的水资源，因此得到了广泛的应用，如图1 - 1 所示。 _ _ _ _ _ | 嗣卜 图卜i 清洗机器人实物图 清洗机器人是在电脑程序控制下，在池内自行完成各种必要的爬行、爬壁、去 除池中悬浮物等任务。清洗机器人一般由三部分组成，清洗机、电源控制箱和带控 江苏大学硕士擘位论文 制板的小牟，核心部分为清洗机。 清洗机外壳底部开有两条进水槽清洗机器人潜水电机启动后，清洗机在游泳 池内爬行，爬行刷对壁面进行洗刷，同时其内部叶轮旋转，使清洗机从游泳池壁表 面小断吸入含杂质的水，经过两条进水槽后被进水滤网过滤，清洁的水经过出水盒 的收集作用，被导入出水弯管送p i 到池内。当清洗机运行到游泳池的角落时，它能 够自动垂直爬壁、清洗到水面，并存预先设置的程序控制f ，左右移动位置或原地 回旋，返回到池底不同位置进行清洗，其工作情况如图1 - 2 所示。 图卜2 清洗机工作示意图 但是，对于日前常用的离心式叶轮清洗机器人，存在以下一些缺陷：( 1 ) 电机 转速偏高，一般n = 3 7 5 0r m i n ，电机轴承容易损坏，电机跳动，密封漏水，整机返修 率高；( 2 ) 功率消耗偏大，直流配电仪购置成本高，现有配电仪功率为6 5 0 札，台 湾定制单价7 5 0 元。若能降低叶轮的功率消耗，配备3 5 0 瓦以下低功率的直流配 电仪，该类型配电仪为标准产品，单价2 5 0 元以下，市场随处可见，可大幅节约成 本开支。同时，国外用户也提出意见，要求降低功率消耗。 1 1 2 清洗机器人的发展趋势 以色列丌发了世界上第一台清洗机器人，日| j 美国、德国、法国均有生产和销 售人量的清沈机器人。斯德哥尔摩南部的一家公司的w e d a 水池清洁机系列是这类 水池清洁机的主要产品。国内天津望圆环保科技有限公司消化吸收了法国技术，是 江苏大学硕士学位论丈 国内为数不多生产与出口清洗机器人的专业厂家。 清洗机器人按它的叶轮形式来分，可分为轴流式和普通离心式。离心式叶轮大 部分采用三叶片旋流式叶轮，损失大，效率低【。 现有清洗机由其结构特点可知，直叶片旋流式叶轮在潜水电机正向、反向运行 时可保持相同的出水量。旋流叶轮主要适合于输送污水杂质，该类型叶轮虽然制造 简单，但由于叶片内部存在循环流，具有较大的水力损失，效率很低。叶轮进口无 密封装置，出水盒内高压区的水一部分通过出水弯管排出，另一部分水回流至进水 滤网所在的区域，降低了清洗机的出水效率。原有清洗机为了获得足够的过滤量， 电机转速被迫提升至刀= 3 7 5 0 r m i n ，功率消耗很大。 为使清洗机得到更广泛的应用，厂家希望在不增加制造成本的条件下，降低其 使用成本。从降低清洗机器人的电机转速和功率消耗，延长机器寿命并减少配电系 统的成本支出研究，就需要重新设计清洗机器人的叶轮或者对其主要过流系统进行 优化设计。 1 2 本文研究的主要内容和意义 1 2 1 研究的主要内容 ( 1 ) 研究原清洗机工作情况。附着力是保证清洗机正常运行的首要条件，首先 对原清洗机附着力进行分析并给出了计算公式。同时分析了原清洗机过流系统内部 流动情况，提出了优化设计方案。 ( 2 ) 通过试验给定扭曲叶轮设计的流量和扬程，并依据一元理论，确定扭曲叶 轮的主要参数。利用p r o e 软件对扭曲叶轮进行三维造型并给出计算模型。分析出水 盒结构特点，提出在出水盒某位置添加挡水块的优化方案。 ( 3 ) 研究清洗机主要过流系统内部流动情况。三维几何模型的建立，物理与数 学模型的建立，网格单元型式及类型，网格密度及分体处理，网格数量的选定等， 考虑是否启用网格自适应功能。以清水为介质，以叶轮流道、出水盒流道和弯管流 道水体为对象，用c f d 软件对四种形式的过流系统内部流场进行数值模拟。通过计 算了解其内部的流动过程，运用分析和统计相结合的方法揭示一些规律。 ( 4 ) 主要过流系统数值模拟结果与试验结果对比分析。观测试验结果和数值模 拟结果，分析数值模拟是否与实际相符合，能否实现降低功率消耗的目的。 3 江苏大学硕士学位论丈 ( 5 ) 研究清洗机底部水体。建立底部水体三维模型并进行数值模拟，得到底部 压力数据，利用编程处理数据并绘出详细的底部压力曲线图。根据对附着力的分析， 提出优化方案，同样达到降低功率消耗的目的。 1 2 2 研究的意义 清洗机器人是泵广泛应用中的例，其研究工作刚刚起步。本文研究了清洗机 主要过流系统的内部流动和清洗机外壳底部压力分布情况。 各种商业服务水池的建设，必然带来设施的管理，同时随着人们日益提高的生 活水平，服务设施也必然会兴旺，为商业水池配备清洗机器人不仅可以免除人的繁 重劳动，一定程度上还可为商家节约开支。 但由于清洗机内部大部分采用的是旋流式叶轮，所以损失很大，功率消耗很高。 不管从厂家考虑还是用户考虑，都需要降低它的功率消耗，节约成本，延长使用寿 命，拓宽应用领域。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章清洗机性能研究及优化设计方法 2 1 清洗机结构及附着力 2 1 1 清洗机结构 清洗机主要由进水滤网、a ! 水盒、叶轮、出水弯管、潜水电机、外壳、变速齿 轮、爬行刷等构成。清洗机器人潜水电机肩动后清洗机在游泳池内爬行，爬行刷 对壁而进行洗刷，池水先进入清洗机外壳底部的两条进水槽，受旋流式叶轮的作用， 经过两条进水槽后被进水滤刚过滤，清洁的水经过出水盘的收集作_ i j ，被导入出水 弯管并回到池内田。当清洗机运行到游泳池的角落时，它能够自动垂直爬壁、清洗到 水面，并在预先设置的程序控制下，左右移动位置或原地回旋，返回到池底不同位 簧进行清洗。其结构如图2 - 1 所示。 l 一进承滤网2 一山水盒3 一旋流叫轮4 一出水弯管 - 直流满水电机哪速齿轮7 爬行刷 壳 图2 - 1 清洗机结构示意图 5 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2 为清洗机主要过流系统结构图主要包括：旋流式叶轮、出水盒、出水弯 管。由图可看出为无密封装置，出水盒内高压区的水一部分通过出水弯管排出，另 一部分水回流至进水滤网所在的区域。 3 2霪 1 一旋流式n 1 轮2 一出水盒3 一出水弯管 图2 _ 2 清洗机主要过流系统结构示意圈 清沈机的旋流式叶轮如图2 - 3 所示，叶片为直叶片，叶片数为3 枚。由清洗机出 水盒的结构特点可知，直叶片旋流式叶轮在潜水电机正向、反向运行时可保持相同 的出水量。该类型叶轮一般退缩在压水室后面的腔内，叶轮旋转时在叶轮前面的无 叶腔内形成贯通流和循环流。叶轮结构形式简单，容易制造，但是存在循环流，造 成很大的水力损失，效率较低。 4 r诵 丑 蝉 l 塑 国2 - 3 旋流式叶轮结构示意图 6 # 惨兰一 蘸蠛 江苏大学硕士学位论文 由图2 4 可看出，出水盒的形状与环形压水室相似，其下半部分各个断面的面积 相等，但上半部分截面积增大很多，由于流道的这种扩大与流体流动并不相符合， 造成内部损失很大。 图2 - 4 环形出水盒示意图 图2 5 给出的是旋流泵中叶轮相对无叶腔位置，本文中旋流式叶轮相对出水盒无 叶腔位置与之类似，其流动具有与旋流泵内部流体流动一样的特点。旋流泵的主要 结构特征是叶轮退缩在压水室后面的泵腔内，叶轮旋转时在叶轮前面的无叶腔内形 成贯通流和循环流。贯通流通过叶轮叶片间流道进入泵室而流出，循环流则在无叶 腔内循环。由于循环流中部是低压区，固体颗粒掉入此区在旋流的带动下流出，因 此大部分固态物质可不经过叶轮而直接从无叶腔流出。基于旋流泵结构形式和流动 与传统泵有很大差别，因而旋流泵有以下特点p 。7 】： ( 1 ) 结构简单，容易制造，运行平稳。 ( 2 ) 叶轮和泵体无配合间隙，不存在磨损使间隙增大造成性能下降的问题。 ( 3 ) 因固体颗粒大部分不通过叶轮，因而无堵塞性能良好，叶轮磨损也相应 减轻。 ( 4 ) 输送的物质大部分在无叶腔的旋流带动下流出，因而无损性差，即对通 过的物质破坏作用大。 ( 5 ) 可以输送含气体的液体。 ( 6 )由于存在循环流，造成很大的水力损失，泵的效率较低，绝大多数泵效 率都在6 0 以下。 江苏大学硕士学住论文 图2 - 5 旋流泵叶轮相对无叶胜位置图 2 1 2 清洗机底部附着力分析 清洗机之所以可以克服浮力的作用，平稳的运行在池里，是由于导入弯管的过 滤量使清洗机底部形成负压区，同时在出水弯管排水处形成较人的反推力。分析得 出，清洗机底部的负压与出水反推力共同形成了清洗机对壁面的附着力，保证了足 够大的附着力，才能保证清洗机完成正常洗刷和爬行。图2 - 6 显示了清洗机底部结构 及底部到池底间的距离。 i 、l 目一t “ 、 百t 百1 1 h s + _甘一什 k 皿；皿。 图2 - 6 清洗机外壳与进水槽 本文尝试利j 日试验的方法，直接通过降低转速和过滤量减少叶轮功率消耗，结 果表明：当原有清洗机转速降低至n = 3 4 5 0 d m l n 时，过滤量q = 1 2 m 3 h ，清洗机只 能够在游泳池底部爬行和清洗，不能完成从游泳池角落到垂直壁面的爬行和清洗。 江苏大学硕士学位论文 原因是过滤量的降低保证不了附着力，所以直接降低转速和过滤遥的方法是不可行 的。 清洗机在游泳池底部水平运行时的附着力为 l = 一f _ i p ( z ，y ) d s + p q v + g 一厂浮 ( 2 - 1 ) a b 。c d 式中 一清洗机水平运行时的附着力，n ； p “y ) 一清洗机底部区域内水压，是以清洗机底部外围水压为基准的相对压 力，p a ； p 一水的密度，p = 1 0 0 0 k g m 3 ； g 清洗机单位时i j 过滤量，m _ s ； ，一出水弯管的出水速度，m s ； g 清洗机重量，n ； 厂浮靖洗机浮力，n 。 上式是对清洗机进行改造设计的一个f ； 提条件和依据。 清洗机重力稍大于浮力，才能保证清洗机能自行沉入水底；清洗机重力如果远 大于浮力，清洗机垂直向上爬行时需要更大的附着力，意味着需要更大的过流量。 因此所有清洗机均需配重，一般保证g 一厂浮= 0 2 0 5 n 。 将一台配重为0 3 n 的清洗机变速齿轮去掉，使其不能爬行，清洗机在游泳池底 部排水，用一根软线将电子弹簧秤与清洗机相连，缓慢拉动电子弹簧秤，清洗机瞬 间将离开壁面，测定附着力为1 2 0 堍，相当于1 1 7 7 2 n 。 附着力计算公式中的第二项出水反推力近似单点作用力；但计算公式中的第一 项负压引起的附着力，通过分析得出其对称分布在清洗机底部进水槽附近位置，使 得清洗机附壁更稳定。 2 2c f d 优化设计过程 理论流体力学、实验流体力学和计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 是流体力学的三个主要分支。如果说理论流体力学提供了描 述流体运动丰富的数学和物理模型，而实验流体力学发现了流体运动中许多奇妙和 有重要意义的现象，c f d 则架起了从数理模型到流动现象之间的桥梁，成为流体力 9 江苏大学硕士学位论文 学研究的重要手段。c f d 是用离散代数的形式代替控制方程中的积分或微分项，在 时间、空间的离散点上获得流场数值解的一种方法。与理论流体力学相比，c f d 的 突出优点是在计算机条件许可的情况下，可以采用最适合流动物理本质的数学模型 来求解任意复杂的流动问题。为了抓住决定流动性质的主要因素以提高计算的效率 或与计算机硬件水平相适应，通常选用经过适当简化的数学模型。与实验研究相比， c f d 具有研究费用少、周期短的优点，同时在模拟极端条件下的流体运动方面，c f d 也显示了明显的优势。因此，c f d 使得研究流体运动的范围和能力都有了本质的扩 大和提高。目前c f d 已经获得了和实验流体力学及理论流体力学同等重要的地位， 在泵水力优化设计方面发挥着极其重要的作用。 c f d 几乎可以应用于所有与流体运动相关的领域。一个完整的三维c f d 优化设 计过程通常包括下面的步骤： 1 基于传统水力设计理论对泵体和叶轮的水力参数进行初步计算和组合，确定 c f d 数值计算的方案。 2 流动区域的几何描述和问题的界定。根据第一步的设计方案对叶轮和泵体的 流动区域进行三维造型，并对两者进行装配。 3 控制方程和边界条件的选定。一般认为，在牛顿流体范围内，所有的重要流 动现象都可以用n a v i e r - s t o k e s 方程来描述。但是，为了提高计算的效率，在保证能 保留流动物理本质的前提下，常选用经过简化的数学模型，如势流方程、e u l e r 方程、 边界层方程和薄层近似的n s 方程等。另外根据研究问题的特点，可以考虑定常或 非定常、可压或不可压的流动模型。虽然n s 方程就可以描述湍流流动，但是直接 采用原始的n s 方程计算湍流流动要求网格点的数量非常多，因而计算量非常大， 目前还仅限于一些简单的流动问题。因此，人们通常采用雷诺平均的r a n s 方程和 某种湍流模式来组成求解问题的控制方程组。一般这类模型按模型中所包含的偏微 分方程数目的个数可分为零方程模型、一方程模型、两方程模型等。边界条件可以 有固体壁面条件，来流、出流条件，周期性条件，对称条件等。 4 网格划分策略和数值方法的选择。在c f d 中，网格的类型有结构网格、非 结构网格、混合网格、重叠网格等。网格可以是静止的，也可以是运动的( 动网格) ， 还可根据数值解动态调整( 自适应网格) 。c f d 中的数值方法有有限差分、有限体 积、有限元、谱方法等。数值方法和网格划分的策略是相互关联的。例如，如果采 1 0 江苏大学硕士学位论文 用有限差分方法，常选用结构化网格；而有限体积方法和有限元方法则可以适应于 结构和非结构网格。 5 数值结果和方法的解释与评价。通过后处理，根据需要显示物理量的等值线 或矢量图，计算力或力矩，估算数值方法或物理模型的误差等。 6 根据预测结果，结合设计目标进行优选，确定试验方案。 7 对优选的方案进行试验研究，根据试验结果再改进以达到设计要求。 基于c f d 技术，对泵进行三维优化设计，将是水泵设计必然的发展方向，但是 对c f d 性能预测的准确性有待进一步研究。提高数值计算的准确性意义重大，将为 三维优化设计方法提供更有力的理论依据。 2 3 本章小结 本章主要分析了清洗机主要过流系统各部分结构，并通过分析给出了附着力的计算 公式。主要的研究内容为： ( 1 ) 认清了清洗机的整个结构，弄清楚了流体的流动过程，分析了其主要过流 系统各部分的结构，如出水盒流道形式和三叶片旋流式叶轮结构特点，对主要过流 系统内部流动情况有了全面的理解。 ( 2 ) 从清洗机可靠运行方面考虑，仔细分析了保证清洗机在池内平稳运行的条 件。通过试验测出附着力的大小，结合对清洗机各个部分结构的分析，再加上对外 壳底部结构图的分析，给出了附着力的构成及计算公式。 江苏大学硕士学位论文 第三章清洗机扭曲叶轮设计及出水盒优化 3 1 水力设计概述 清洗机的主要过流系统类似于一台水泵，现对泵优化设计要用到的主要理论知 识介绍如下。 泵的特性是泵内部流动的外部表现形式，而泵内部运动状态和过流部件的参数 密切相关。泵的过流部件有吸水室、叶轮和压水室，其叶轮和压水室是主要过流部 件，实际上泵的特性是由叶轮和压水室共同决定的。 离心泵水力设计属于离心泵过流部件水力计算的反问题。而叶轮的设计关键在 于给出符合流动规律的叶片形状，叶轮内的实际流动是很复杂的，在设计中，对叶 轮内的流动作了一系列假设，用具有不同规律的流动代替叶轮内复杂的流动，在这 一假设的基础上，叶轮的设计一般可以分为一元理论、二元理论和三元理论的设计 方法嗍。 一元理论是古典的设计理论，以无限叶片数假设为基础，认为流动是轴对称的， 即每个轴面上的流动均相同，同一过水断面上轴面速度均匀分布，因而轴面速度只 随轴面流线一个坐标变化。二元理论同样在以无限叶片数假设的前提下，把叶轮内 的流动看作是轴对称的，但轴面速度沿同一过水断面不是均匀分部的，那么轴面速 度随轴面流线和过水断面形成线两个坐标而变化。 放弃无限叶片数假设，直接研究三维流场就是三元理论的设计方法。从吴仲华 提出两类相对流面以来，叶轮机械的三元流动计算的理论和方法已经得到了很大的 发展，成为计算流体动力学( c f d ) 的一个重要分支。目前求解叶片式机械内无粘 流动的数值解( e u l e r 方程解) 已经比较成熟，借助一定的湍流模型，利用n s 方程 求解叶轮内的粘性流动也取得了很大的进展。虽然一些研究者做了一些叶轮机械反 问题探索，但由于对应流场如何给定的研究还很不充分，因此效果也不是很好。 一元理论所做出的假设大大简化了流动计算，但与实际流动有较大的差别，通 常由经验方法或根据试验结果加以修正。长期以来，一元理论是工程实际中广泛应 用的设计方法，积累了丰富的经验，也有许多优秀的设计，目前对于离心泵大都按 一元理论设计。但是，研究叶轮中的流体运动规律，应采用二元和三元理论【9 l 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 本章将基于一元理论，借鉴已有的研究方法和经验，对清洗机叶轮的设计方法 进行研究【1 m 1 2 1 。 3 2 叶轮水力设计 3 2 1 工作参数 泵的工作状况通常用工作参数来表示，主要有扬程、流量、转速和效率等，这 些参数反映了工作状态和能量转换的程度【1 3 1 。 1 扬程 离心泵扬程为离心泵出口截面和进口截面的单位质量液体的能量差，也就是单 位液体通过泵获得的有效能量，单位是m ，所以泵的扬程日可以写为 日= 易一e ( m ) ( 3 1 ) 式中 也在泵出口处单位重量液体的能量，m l e 。在泵进口处单位重量液体的能量，m 。 扬程日具体可以表示为 日：堕尘+ 芝羔i - ( z d z 。) ( m ) ( 3 2 ) p g2 9 式中 仇，见泵出口、进口处液体的静压力，p a ； 屹，匕泵出口、进口处的速度，m s ； 乙，互泵出口、进口到任选的测量基准面的距离，m 。 2 流量 流量q 为单位时间内通过水泵出口截面的液体量( 体积或质量) ，通常用体积 流量表示，单位为立方米川、时( m 3 脚或升秒( 1 s ) 。 3 转速 单位时间叶轮旋转的次数称为泵的转速，以刀表示，确定泵转速应考虑下面因 素： ( 1 ) 泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻； ( 2 ) 转速和比转数有关，而比转数和效率有关，所以转速应和比转数结合起来确定； ( 3 ) 转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大： 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，转速刀需要满足 咒，cnpshr；4( l 一5 - 一5 ) 咒 ；= 一 k， 5 6 2 4 q 式中c 泵的汽蚀比转数： n p s h r 泵的汽蚀余量，1 1 1 ： q 泵的流量，m 3 s 。 若抗汽蚀性能要求较高，可取c = 1 0 0 0 。1 6 0 0 ；若兼顾效率和抗汽蚀性能，可 取c = 8 0 0 。1 0 0 0 ；若主要考虑提高效率，可取c = 6 0 0 8 0 0 。 4 效率 泵的效率为有效功率和轴功率之比，用坪表示，即 刁毒 4 ， 式中 有效功率，k w ； p 轴功率，k w 。 泵的有效功率相对于轴功率之所以降低的原因主要是存在水力损失、容积损失 和机械损失，可以根据流量、转速、比转数以及轴功率对水力效率、容积效率和机 械效率进行估算。水力效率r , 的估算公式为 = 1 + o 嘞5 ，刮罟 c 3 一s ， 式中 q 泵的流量，m 3 s ； 刀泵的转速，r m i n 。 容积效率仇的估算公式为 巩：! 一 ( 3 6 ) 巩2 1 + 0 6 8 n , - ( 3 - 6 ) 式中 绣泵的比转数，绣= 3 6 i 5 n 可x 广f 孬。 如果只考虑机械损失中的轴承损失、填料损失和圆盘摩擦损失，机械效率可按 下式进行估算 r , = 1 p , , ，+ p r 0 2 一。朋葡知 7 ， 江苏大学硕士学位论文 式中己。轴承摩擦损失功率，k w ； 己：填料摩擦损失功率，k w ； 亿泵的比转数。 其中，已，+ 已2 = ( 0 0 1 - 0 0 3 ) p 于是，泵的总效率7 7 可表示为 7 7 2 仇仇7 5 功率 扬程和质量流量及重力加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输出液体所获得 的有效能量，即有效功率，表示为 ：p g = q h ( k w ) ( 3 8 ) 。 1 0 0 0 。 式中 p 泵输送液体的密度，k g m 3 g 重力加速度，m s 2 q - 泵的流量，m a s ； 日泵的扬程，m 。 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，又称轴功率，用p 表 示，计算公式为 p ：旦塑( k w )( 3 9 ) 1 0 0 0 r 式中各参数物理意义与式( 3 8 ) 中一致，原动机功率通常不小于输入功率的l 1 3 倍。 3 2 2 水力设计 本设计在不改变出水盒外形的基础上，重点针对过流部件中的叶轮进行了重新 设计。 分析清洗机的结构特性与运行特性可知，清洗机叶轮必须具有足够的扬程，主 要用来克服过滤水经过清洗机外壳、进水滤网、出水盒、出水弯管等部件的水力损 失厅厂，以及克服叶轮与出水盒耦合运行时的压力损失磊，：。 本文通过实验方法测定 n o 将清洗机水平放置于一装满水的密封容器内，利用 1 5 江苏大学硕士学位论文 较短的p v c 管将清洗机出水弯管的水引出，p v c 管出口保持与密封容器内的水位平 齐，同时确保清洗机与爬行刷紧附于密封容器的壁面，对密封容器内的水加压，测 定p v c 管的出水量g 与密封容器内水压p 的关系，水压p 全部用于克服水力损失， p v c 管粗糙度极小，可忽略管内的沿程损失，近似认为h ，p ，依据水力学的原理， 这些损失与过流量的平方大致成正比，测试结果如图3 - 1 所示。水力损失随着出水量 的增加而增加，且当出水量增加到q = 1 4 m 3 h 后，水力损失有加速上升的趋势，出 水量q = 1 5 m 3 h 时，水力损失h 九1 1 m 。去除清洗机外壳及进水滤网进行实验，水 力损失h 门下降较少，说明绝大部分水力损失是由于出水盒与出水弯管引起的。 图3 - 1 水力损失随出水量的变化图 新叶轮尚未设计好，不可预估叶轮与出水盒耦合运行时的压力损失 l ，：。造成压 力损失h ，的原因主要包括：叶轮口环泄漏、非螺旋形蜗壳、出水盒设计不合理等。 若压力损失h ，：预估过高，势必导致叶轮外径偏太，将有可能进一步恶化出水盒内的 流场，使得叶轮的功率消耗上升。初步假定h ，：= 0 4m ，即总水力损失为1 5m ，叶 轮设计扬程取为h = 1 5 m 。 即以流量q = 1 5 m 3 f r l 、扬程h = 1 5 m 来设计叶轮，但是考虑到出水盒可容纳的 空间，所设计的叶轮体积不能超出其空间尺寸，因此反复调整设计转速n ，试算叶 轮的进1 2 直径d 。、出1 2 直径d ：、出口宽度，最终确定叶轮的设计转速 以：2 1 0 0r m i n t l 4 1 5 1 。 ( 1 ) 比转数疗。 1 6 江苏大学硕士学位论文 ”3 6 5 咒参_ 3 6 5 ( 3 1 0 ) ( 2 ) 叶轮进e l 直径d l b = 毛( 詈) 式中叶轮进口速度系数k ，取3 5 5 5 ，改造时兼顾考虑效率与过流量的问题，同时考 虑出水盒上进流尺寸t p 6 0 m m 的限制，决定七，取4 4 ，计算得到d 。= 5 5 m m 。 ( 3 ) 叶轮出口直径d ： d z - 七：( 詈) 式中叶轮出口速度系数七2 = ( 9 5 - - 1 0 5 ) ( n s 1 0 0 ) - 0 5 ，计算得到d 2 = 6 6 r a m 。 ( 4 ) 叶轮出口宽度如 当叶轮流道出口断面不是圆形时，可取较小值，但应保证单个流道出口断面面 积大致等于叶轮进口断面面积的一半。同时，为了获得较陡的h q 曲线，即希望增 大曲线的斜率，应该取较小的也值。 ( 詈) 若比转数较小，n ， 1 5 0 ，需适当减小出口宽度，修正系数七= 0 6 5 1 ，且比转数越大，修正系数七 越小； 本设计n ，= 3 6 5 ，依据文献推荐取k = 0 8 ，出口宽度系数 k b 2 = ( o 6 4 一o 7 ) 。1 0 0 ) 5 怕，计算得到坟= 2 2 m m 。 ( 5 ) 叶轮叶片数、出e l 安放角、叶片包角 选择扭曲叶片，高比转数泵叶片数较少，一般z = 3 5 ，本设计选择叶片数 z = 4 ；高比转数泵出口安放角一般取为氏= 1 5 2 0 。，本设计取为1 8 。；高比转数 叶轮的叶片包角常取为9 0 。，本设计取为9 0 。 ( 6 ) 叶片绘型 该叶轮采用的足扭曲叶片，其外形和木模型线如图3 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 雁 图3 - 2 扭曲叶轮的外搿及木模型线 表3 1 所列为设训扭| 叶轮的 耍几何参数。 表p 1 清洗机扭曲叶轮的主要几何参数 3 2 3 三维造型 目前通用的三维造型软件很多，如p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i d w o r k s 等， 也可以利用f l u e n t 中的前处理软件g a m b i t 进行三维造型。 而p r o e n g i n e e r 系统是美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ， 简称p t c ) 的产品。p t c 公司突破了机械c a d c a e c a m 的传统观念，提出了单一 数据库、参数化、基于特征、牟相关的c a d 设计新思想这种全新的概念已成为当 今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。p r o e 系统正是利用这种独特的建模方 式和设计思路，开发出来的第三代优秀机械c a d c a e c a m 产品，因而表现出了不 同于一般c a d 软件的优越建模特性，能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的 用户能够同时进行h 一产品的设计制造t 作，即实现所谓的并行工程所以本文是 采削p r o e n g i n e e r 进行造型旧。 但不管用何种= 维造型软什，其基本方法区别不大。图3 - 3 设计的扭曲叶轮用 江苏大学硕士学位论文 p r o e n g i n e e r 进行三维造型，大致可以分为点、线、面、体四个过程，可以很直观 地看到叶片的形状和流道的变化情况。 3 3 出水盒的优化设计 圈3 - 3 扭曲叶轮的三维造型 螺旋形压水室，蜗室的断面积按旋转方向向出口逐渐扩大以保证其中的流速均 匀。所谓环形压水室，是一种各个断面的面积相等的压水室，环形压水室中的流速 向出口方向逐渐增加，与从叶轮中流出来的液体发生互相碰撞，损失较大，而且在 设计工况下会产生很大的径向力，但结果对称、简单。 环形压水室主要用于杂质泵，因为这种结构隔舌的间隙很大，不易造成杂质的 堵塞，而且在工艺方面便于施行衬胶等措施。多级泵的末级导叶之后，也多采用环 形压水室，因为这样结构对称，便于布置穿杠，且使熟变形均匀。根据具体情况， 可采用介于螺旋形压水室和环形压水室问的准螺旋形压水室。用于杂质泵的环形压 水室的断面通常是半圆形或矩形。本文出水盒等截面处为矩形。 由于原有出水盒为环形压水室，室中的液体与从叶轮中流出来的液体发生互相 碰撞，水力损失较大，效率低下导致电机轴功率太。而且在设计工况下会产生很大 的径向力，不利于叶轮的稳定运行n q 。 而螺旋形压水室符合叶轮出口的流动规律，保证了叶轮内相对流动的稳定性， 且损失较小。考虑到优化的经济性，本文拟在出水盒某部位加挡水块，来减少由于 流动紊乱带来的能量损失，回收部分能量。 江苏大学硕士学位论文 优化设计的具体方案如图3 ，4 所示，图3 4 a 为原有出水盒，现将挡水块分别加在 叶轮外周且与水平方向成4 5 。、9 0 0 、1 3 5 0 位置，即分别如图3 4 b 、3 4 c 、3 4 d 所示， ( a ) 原出水盒 3 4 本章小结 ( c ) 9 0 。挡水块 ( b 声。挡水块 弋江 厂 、 隧刻 图3 4 挡水块位置示意图 ( d ) 1 3 5 。挡水块 本章的主要研究内容为： ( 1 ) 研究了清洗机扭曲叶轮的水力设计方法。用实验的方法测定了压力损失大 小和水力损失随流量的变化规律。在保证清洗机可正常工作的情况下，确定了设计 扭曲叶轮的流量和扬程。以一元理论为依据，设计了扭曲叶轮的主要几何参数，并 对其进行了三维实体造型。 ( 2 ) 分析了出水盒的结构特点和不足之处，提出了优化设计方案。 江苏大学硕士学位论丈 第四章清洗机内部流动数值模拟 4 1c f d 技术及软件简介 随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学( c f d )