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吸水室等过流部件内部流动分析 流体机械及工程专业 研究生何敏指导教师严敬教授 离心泵广泛用于发电厂、石油、化工、城市供水、农业排灌等行业。而吸 水室是水泵中不可缺少的部件。在设计中对吸水室决不可掉以轻心，这是因为 吸水室设计的好坏，直接影响到水泵汽蚀( 空化) 性能和效率指标。因此，设 计吸水室时，要在水力损失最小的条件下保证：1 ) 为了创造在设计工况下，叶 轮内稳定的相对流动，沿吸水室所有断面的流速必须尽可能地均匀分布；2 ) 将 吸入管内的速度变为叶轮入口所需的速度。双吸泵的半螺旋形吸水室在进口部 分相连通，而后绕过压出室外壁分别通向双吸叶轮的两个进口。这比一般吸水 室的结构复杂，内部流动更为特殊。因而本研究具有一定的理论意义，为分析 吸水室的内部流动和设计高效率的双吸泵提供了有价值的信息。 近年来，计算流体力学技术已经成功地运用于数值模拟离心泵内部湍流流 动。本文以型号为2 5 0 g s 6 5 型双吸式离心泵为研究对象，以给定的设计参数对 吸水室进行了水力设计；并使用商业软件f l u e n t 分别计算了不同工况条件下 的吸水室、叶轮和蜗壳的内部流场，继而得到了速度和压力等参数的分布。主 要的研究工作如下： 在查阅大量文献的基础上，综述了计算流体力学的发展，以及在流体机械内 部流动数值模拟方面的应用，并对连续性方程、雷诺时均方程、k 一模型、结构 网格和非结构网格技术、有限体积法以及s i m p l e 算法在离心泵流场中的应用 进行了较全面的总结。 详细地叙述了吸水室的实体造型过程，并将三大过流部件( 吸水室、叶轮和 压水室) 的造型结果导入到f i i 甩n t 前处理软件g a m b i t 中进行网格划分。 采用多参考坐标系模型进行定常计算，分析了速度场和压力场的变化，重点 突出吸水室内部流动的分析。 分别对设计工况( q = 4 8 5m 3 h ) ，大流量工况( 1 5 q ) 和小流量工况( 0 5 q ) 进 行了数值模拟，在以上不同的工况下观察吸水室出口水流的圆周速度和轴面速 度的分布情况，查看压水室外壁是否存在脱流现象。并进一步假设液体无粘，( 即 理想流体) ，观察模拟结果有何变化。最后，改变液体的粘度，分析模拟结果， 进一步认识脱流现象。 计算结果显示：1 oq 和1 5 q 工况下吸水室出口水流分布比较均匀，无漩 涡产生，。和吃分布较好，能够为叶轮进口提供均匀的来流。0 5 q 工况下由于 叶轮进口出现二次回流，故分布混乱。各工况下以及液体粘度增大时压水室外 侧均不存在漩涡和脱流现象，说明了水力设计的合理性。 同时，论文对设计工况( q = 4 8 5m 3 h ) ，大流量工况( 1 2 q ) 和小流量工况 ( 0 8 q ) 进行了模拟，分析水流在压水室和叶轮内部的流动规律。并以液体无粘 模拟，观察模拟结果的变化。 模拟结果说明：不同工况下叶轮流道内相对速度分布与理论分析比较一致； 叶片的静压分布与速度的分布也符合对应的规律。压水室各截面的速度也满足 圪r = c o n s t 这一定律。 双吸式离心泵的内流相当复杂，本文的研究对其结构优化和改进提供了重要 的理论依据。这对此类离心泵的设计理论和方法的发展都有重要意义。 关键词：半螺旋形吸水室，水力设计，定常计算，计算流体动力学，数值模拟 i n t e r n a lf l o wa n a l y s i st os u c t i o nc h a m b e ra n do t h e r o v e r - c u r r e n tc o m p o n e n t s f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：h em i n s u p e r v i s o r ：p r 西y a n j i n g c e n t r i f u g a lp u m pi sw i d e l yu s e di np o w e rp l a n t s ，o i l ，c h e m i c a li n d u s t r y , u r b a n w a t e rs u p p l y , a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n dd r a i n a g es e c t o r s t h es u c t i o nc h a m b e ri sa n i n d i s p e n s a b l ep a r to fp u m p ；i tc a nn o tb eg i v el i t t l ec o n s i d e r a t i o nw h e nd e s i g n i n g t h a ti sb e c a u s et h eq u a l i t yo fs u c t i o nc h a m b e rw i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h e p e r f o r m a n c eo fp u m pc a v i t a t i o n sa n de f f i c i e n c ys t a n d a r d s t h e r e f o r e ，w h e nd e s i g n s u c t i o nc h a m b e r , o n l yi nt h ec o n d i t i o no fs m a l l e s th y d r a u l i cl o s s e sw es h o u l de n s u r e t h a t ：1 ) i no r d e rt oc r e a t ea nr e l a t i v es t a b i l i t yo ft h ef l o wo ni m p e l l e ra tt h ed e s i g n p o i n t ，t h ev e l o c i t ya l o n ga l lt h es e c t i o n so ft h es u c t i o nc h a m b e rs h o u l db ee v e n l y d i s t r i b u t e da ss o o na sp o s s i b l e ；2 ) d i v e r tt h ev e l o c i t yo fs u c t i o nc h a m b e ri n t ot h e n e c e s s a r yv e l o c i t yw h i c ht h ei m p e l l e ri n l e tr e q u i r e d h a l f - s p i r a ls u c t i o nc h a m b e ra r e c o n n e c t e di nt h ei m p o r t s ，a n dt h e nr e s p e c t i v e l yl i n kt ot h et w os u c t i o ni m p e l l e r i m p o r t sb yc r o s st h eo u t s i d ew a l lo fc a s i n g c o m p a r e dw i t ha v e r a g eo n e ，t h i s c h a m b e rh a sac o m p l e xs t r u c t u r ea n das p e c i a li n t e r n a lf l o w t h e r e f o r e , o u rr e s e a r c h h a sat h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et os o m ee x t e n t ，w h i c ha l s os u p p l i e su sw i t hm o r e v a l u a b l ei n f o r m a t i o nf o ra n a l y z i n gs u c t i o ni n t e r n a lf l o wa n dd e s i g n i n gh i s h e f f e c t i v e d o u b l e s u c t i o np u m p i nr e c e n ty e a r s ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a n a l y s i sh a sb e e nu s e dt o s i m u l a t et h et h r e e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o wo fac e n t r i f u g a lp u m p t h i sp a p e r c o n s i d e r s2 5 0 g s 6 5d o u b l e s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m pa sas u b j e c ta n du s e st h eg i v e n p a r a m e t e r st oc a l t yo u th y d r a u l i cd e s i g nt o s u c t i o nc h a m b e r ；t h ec a l c u l a t i o n sf o r s u c t i o nc h a m b e r ，i m p e l l e ra n dc a s i n g sf l o wf i e l da td i f f e r e n to p e r a t i n gp o i n t sa r e c a r r i e do u tw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r ec o d e f l u e n t t h u st h ed i s t r i b u t i o n so f v e l o c i t ya n dp r e s s u r ea r eo b t a i n e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , a f t e r al o to fl i t e r a t u r e sw e r er e v i e w e d ，t h el a t e s td e v e l o p m e n t sa n d a p p l i c a t i o n so fc f di n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rac e n t r i f u g a lp u m pw e r e s u m m a r i z e d t h e3 dt u r b u l e n tf l o wo fc e n t r i f u g a lp u m pi ss i m u l a t e db a s e do nt h e c o n t i n u i t ye q u a t i o n a n dt h e t i m e a v e r a g e dr e y n o l d s a v e r a g e d n a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n s ( r 州s ) ，t h er e a l i z a b l ek 一占t u r b u l e n tm o d e l , w i t ht h e f i n i t ev o l u m e m e t h o da n ds i m p l ea l g o r i t h mi nu n s t r u c t u r e dg r i da n ds t r u c t u r e d 鲥d s e c o n d ，t h ep r o c e s s e so f3 ds o l i dm o d e l i n go fs u c t i o nc h a m b e ra r ei n t r o d u c e di n d e t a i l ，a n dt h et h r e em o d e l s ( i n c l u d i n gs u c t i o nc h a m b e r , i m p e l l e ra n dc a s i n g ) a r e m e s h e db yt h es o f t w a r ep a c k a g e g a m b i t t h i r d ，t h es t e a d yc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tw i t ham u l t i p l ef la m eo fr e f e r e n c e s y s t e m i na d d i t i o n a l ，t h ei n t e r n a lv e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r ef i e l da r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ，t h ea n a l y s i so fi n t e r n a lf l o wi ns u c t i o nc h a m b e rs h o u l db es p e c i a l i z e d r e s p e c t i v e l yc a r r y i n go u tan u m e r i c a ls i m u l a t i o na tt h ed e s i g np o i n t ( q = 4 8 5m 3 h ) a n do f f - d e s i g np o i n t s ( 1 5 qa n d0 5 q ) ，t h e nw eo b s e r v et h e d i s t r i b u t i o no f c i r c u l a rv e l o c i t yfa n da x i a lv e l o c i t y 吃o nt h eo u t l e to fs u c t i o nc h a m b e r , a n df i n d w h e t h e rt h e r ei ss e p a r a t i o np h e n o m e n o n f u r t h e r m o r e ，a s s u m i n gt h el i q u i dh a sn o v i s c o s i t y , ( t h a ti s ，t h ei d e a lf l u i d ) ，w eg oo no b s e r v i n gw h a tc h a n g e sh a v et a k e np l a c e i nt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e da f t e rt h e v i s c o s i t yo ff l u i dh a sc h a n g e d ，a n dab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fs e p a r a t i o np h e n o m e n o n h a sb e e ng i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t l e tv e l o c i t yo fs u c t i o nc h a m b e ri sd i s t r i b u t e dm o r e e v e n r ya n da l s oh a v en oe d d yu n d e r1 0qa n di s qc o n d i t i o n s ，圪a n d 圪a r ew e l l d i s t r i b u t e ds oa st op r o v i d eu n i f o r mv e l o c i t yt ot h ei m p e l l e ri n l e t u n d e ro 5 q c o n d i t i o n ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni sd i s o r d e r l yd u et ot h eo c c u l r c n c co fs e c o n d b a c k f l o wi nt h ei m p e l l e ri n l e t t h e r ei sn oe d d ya n do f f - f l o wp h e n o m e n o no u t s i d e c a s i n gi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa sw e l la st h ev i s c o s i t yo fl i q u i di n c r e a s e d ，t h ea b o v e p h e n o m e n o na r ea l ld e m o n s t r a t et h a tt h eh y d r a u l i cd e s i g ni sr e a s o n a b l e a tt h es a m et i m e ，t h es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ta tt h ed e s i g np o i n t ( e = 4 8 5m 3 h ) a n do f f - d e s i g np o i n t s ( 1 2 qa n d0 8 q ) ，a n dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tc a s i n g a n di m p e l l e rh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r , t h e na s s u m et h ef l u i dh a s1 1 0v i s c o s i t y a n do b s e r v et h es i m u l a t i o nr e s u l t s w ec a nf i n do u tf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h e d i s t r i b u t i o no fr e l a t i v e v e l o c i t yw a sc o r r e s p o n d i n gw i t ht h e o r yi ni m p e l l e ra td i f f e r e n tp o i n t s ；s t a t i cp r e s s u r e a n dv e l o c i t yo ft h eb l a d ew e r ei nl i n ew i t ht h el a w v e l o c i t yi ne a c hs e c t i o no fc a s i n g w a sa l s os a t i s f yt h er e g u l a t i o no f 圪r = c o n s t t h i sp a p e rs h o w st h ef l o wf i e l di n s i d eac e n t r i f u g a lp u m pi sv e r ys o p h i s t i c a t e ， b u tw h a tw eh a v eo b t a i n e df r o mt h i sp a p e rc a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e o p t i m a ld e s i g n i tw i l lh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fd e s i g nt h e o r y a n dm e t h o do ft h i sk i n d o fc e n t r i f u g a lp u m p k e yw o r d s ：s p i r a ls u c t i o nc h a m b e r , h y d r a u l i cd e s i g n , s t e a d yc a l c u l a t i o n ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 彳可敬脾：；月i f 日 导师签名：夕次罗年多月步日 7 0 西华大学 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，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密区适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：何锻 e l 期： 枷 善i o 。 指导教师签名： 卢凸云 日期： d 夕护岁0 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 课题“吸水室等过流部件内部流动分析来源于企业委托。我方主要负责 双吸泵吸水室的水力设计和内部流动分析。 1 2 课题的研究目的和意义 泵是将原动机的机械能或其它能源的能量传递给输运的液体，使液体的能 量( 压能、位能和动能) 增加的机械【1 】。它在农业、轻工业、环保、河川调动 等领域有着重大的作用。随着现代科学技术的飞速发展，其应用范围也在迅速 的扩大。由于泵在国民经济各部门中占有非常重要的地位，因此，它的技术性 能对各个相关行业影响巨大。 双吸式离心泵包括吸水室、叶轮和蜗壳该泵的叶轮实际上是由两个背靠 背的叶轮组合而成的。因而在同样的扬程下，其流量可增大一倍双吸泵的形 状对称，两侧的轴向力互相抵消，平衡性比较好且便于维修由于双吸泵拥有 这些优点，所以在电厂、钢厂、水厂、市政、建筑等许多部门广泛使用，应用 形式多为数台泵串联和并联运行。 双吸泵的内部流动是一种复杂的三维、非定常湍流运动，随着运行工况的 变化，常伴有分离、汽蚀和二次流等流动现象【2 1 。由于对泵内部物理量的测量 和流动现象的观察很不方便，又由于计算机性能的提高和计算流体力学( c f d ) 方法的发展，近年来用数值计算的方法直接研究双吸泵内部三维粘性流动己引 起了水泵行业越来越多的重视【3 】。到目前为止，对双吸泵的流动特性进行理论 研究的文献特别是国外的相关文献不多，在工程设计中多数的设计是建立在经 验基础之上，以至于设计出的泵性能得不到充分保证。因此迫切需要对双吸泵 的内部流动进行深入的研究，为设计出性能高和运行更稳定的双吸泵提供理论 上的指导。 双吸泵最主要的性能是效率和可靠性。但是，只从叶轮和蜗壳的设计和优 西华大学硕士学位论文 化方面考虑提高双吸泵的效率值是不够的，还有许多因素要考虑。而吸水室就 是其中一个需要重点考虑的部件。泵的吸水室就是泵的进1 3 法兰至叶轮进口的 过流部分。吸水室的主要目的是将液流平顺地引至叶轮进口，为叶轮创造对称 的来流状态，从而使泵高效率地稳定运行。对于一个双吸泵来说，设计恰当的 吸水室是改善双吸泵性能，提高效率必不可少的步骤。 本文对2 5 0 g s 6 5 型双吸泵吸水室内部流动进行三维湍流数值模拟，目的是 较为准确地模拟吸水室内部的流场分布，获得丰富的流场信息，从而掌握吸水 室内部的流动规律，减少对设计经验和试验数据的依赖，以便缩短研制周期、 降低生产成本，为设计和改进吸水室提供依据。另外，由于半螺旋形吸水室自 身结构的复杂性，同时叶决定了其内部流场的复杂性。因此对半螺旋形吸水室 内部的三维湍流数值模拟，既具有非常重要的理论意义，又具有重大的应用价 值。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 由于水泵在国民经济发展中有着广阔的应用市场，所以为了设计并制造出满 足各行各业要求的高性能、高质量的水泵，我国从2 0 世纪八十年代末九十年代初 开始，伴随着电子技术的广泛应用和测试仪器仪表、自动控制技术的飞跃发展， 国内一些科研单位相继对水泵测试装置进行了研究与开发，他们为水泵质量的不 断提高，水泵性能的不断完善发挥了先导性的作用。但是同国外泵业相比，中国泵 业在设计能力、技术创新能力和性能方面尚存在很大差距。 1 ) 国外水泵技术的现状 国外工业发达国家的水泵行业起步较早，经过几个世纪的更新与发展，无论 在技术、性能还是品种上都日趋完善。泵传统产业的不断创新，近年来，化工、石 油化工、电站、矿山和船舶等工业对泵的需求日益增长，促进了泵技术的发展。 泵的品种规格繁多，并向大型化、高速化方向发展。今天，全人类提出可持续发展 战略，泵产品更加强调了环保要求。随着新技术的发展，国外作为传统产业的泵技 术也在不断进步。2 0 世纪初，首先在英国开发了无泄漏屏蔽泵；2 0 世纪中期美国 开发了高速部分流泵。高温、高压泵日益向大型化，高可靠性发展。特殊材料泵， 如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及锆、钛等贵重合金泵也应运而生。继而在水力 2 西华大学硕士学位论文 设计、诱导轮研究、新材料、新工艺、c a d 、c a m 等方面有了更新发展【4 】。 2 ) 国内水泵技术的现状 我国最早的双吸泵是1 9 5 7 年在前苏联双吸泵的基础上涉及的s h 型双吸 泵。1 9 6 8 年泵行业在上海进行了s 型双吸泵联合设计。上个世纪8 0 年代，长 沙水泵厂在引进美国英格索兰技术的基础上发展了s a ( s a p ) 型双吸泵，但是这 些传统产品性能范围不广，结构造型陈旧，与国外现代先进的双吸泵相比，在 造型、结构、性能、工艺等方面都有一定差距。近几年，随着国内对双吸泵产 品的需求日益增加，我国的离心泵专家开发了q s 型系列产品，在一定程度上 已经可以达到国外同类产品的水平【5 捌。 3 ) 泵技术发展的趋势 目前，用数值模拟方法研究离心泵内过流部件流场已成为改进和优化离心 泵过流部件设计的重要手段，以往的文献仅对双吸泵压水室和叶轮作为一个整 体联系起来进行模拟，而对双吸泵吸水室内部流进行数值模拟的报道则甚少。 离心泵内过流部件的几何形状伴有强烈的弯曲和扭曲，其内部流动是复杂的三 维流动。只对各过流部件单独分析，没有考虑过流部件间的匹配关系，c f d 分 析结果必然与实际流动存在较大差别，也无法了解离心泵内部流动的三维特性。 因此课题在研究吸水室的内部流动特性时，有必要将吸水室、蜗壳和叶轮作为 一个整体联系起来考虑【7 】 由于水泵内部流动复杂，吸水室、叶轮以及蜗壳相互作用，因此，水泵在 设计时要综合考虑它的水力性能、结构的合理性等等本项工作对于企业进行 双吸泵的性能预测和优化设计具有指导意义 1 4 课题的主要研究内容及技术路线 近年来，c f d 在双吸泵内部流场计算中应用日益广泛，成为优化设计的重要 工具。本文以型号为2 5 0 g s 6 5 的双吸式离心泵为研究对象，旨在通过数值模拟 稳定工作状态下介质为清水的泵的吸水室内部流场的分布情况，并揭示其内部 流动特性，为高性能的双吸泵的优化设计提供基础信息。 课题借助f l u e n t ( c f d ) 软件平台，采用n s 方程配合r n gk 占湍 流模型对吸水室进行三维数值模拟。通过对内流场的模拟，继而得出一些有价 西华大学硕士学位论文 值的水泵性能信息。 要检验某种吸水室的性能，一般需要先建立该吸水室的三维模型，然后进 行吸水室内部流动的三维模拟，查看其内部流动是否均匀，是否有漩涡的产生 和脱流现象等。论文完成了对叶轮，压水室和吸水室的三维造型，并把双吸泵 的三大过流部件作为一个整体进行了模拟。重点突出吸水室的内部分析。因而 研究的主要内容如下： 1 从基本的守恒原理一质量守恒和动量守恒原理出发，分析并设计合适的 模型。 2 在设计流量1 0 q 和非设计流量o 5 q 、1 5 q 以及液体无粘的情况下，对 吸水室出口( 叶轮进口) 的速度和压水室外侧的流动进行分析，以此来确定吸 水室的结构是否符合设计的要求：适当增大液体的粘度，观察压水室外侧是否 存在脱流现象。 3 在设计流量1 o q 和非设计流量0 8 q 、1 2 q 以及液体无粘的情况下，模 拟叶轮流道的速度分布和压水室的内部流动，看是否与理论相符合。 研究的技术路线： ( 1 ) 以国内外先进资料为基础，并结合国内一些先进的理论和方法，形成吸 水室的设计原理和方法。 ( 2 ) 利用三维造型软件u g 对叶轮，蜗壳和吸水室进行三维造型；并用网格 划分软件g a m b i t 中对其进行网格划分。 ( 3 ) 查阅大量国内外离心泵的理论、数值模拟等方面的资料，在总结现有 研究成果的基础上，全面总结计算流体力学在数学物理模型、网格技术以及计 算方法等方面的最新发展，详细介绍应用于离心泵数值模拟的基本控制方程、 湍流模型、近壁面的流动计算、离散方法、离散格式、压力与速度耦合关系 的处理以及离心泵内流问题的求解等方面内容。 ( 4 ) 以f l u e n t 软件模拟有无粘性，不同流量下双吸泵蜗壳外侧的流动以及 吸水室出口水流速度的分布；模拟有无粘性，不同流量下叶轮和蜗壳内部的流 动特性。 ( 5 ) 分析模拟结果，揭示离心泵的内部流动规律，并力求将模拟结果提升， 抽象到理论高度。 4 西华大学硕士学位论文 第二章吸水室的设计及绘形 2 1 吸水室的概述 半螺旋形吸水室，除了必须适合离心泵的结构需求外，还应保证液体以最小 的水力损失流过并以均匀的速度再进入叶轮。 为此，应该做到：从泵的入口到叶轮的喉部，液体的流速是逐渐增加的，并 以此来确定吸水室断面的面积。这一点，几乎所有的有关文献和专著中均有论述。 同时，还应做到：液体在吸水室中的运动，必须尽可能地在以泵轴为中心线 的旋转面上进行。否则，就不能保证液体进入叶轮时流速是均匀的和轴对称的【s 】。 目前，半螺旋形吸水室作为一种广泛应用的吸水室形式，主要用在单级双吸 式水泵，水平中开式多级泵，大型的节段式多级泵以及某些单级悬臂泵上等等。 2 2 半螺旋形吸水室的设计方法 单级双吸离心泵半螺旋形吸水室的吸入口直径d 。、第断面面积等数 值的选取、计算以及流道断面的绘制方法，下面都做了详细的介绍。在流道断面 绘制出来以后，就应当检查流道断面面积是否符合要求，否则应改变流道形状以 得到合适的断面。 2 2 1 吸水室基本参数的确定 1 确定吸入口直径d s 本设计吸入口直径已在厂家所提供的泵的外形尺寸图上给出，d s - - 2 5 0 m m 。 2 确定卜断面的液体平均流速 该速度按下式计算： v = ( o 7 o 8 5 ) v ， 矿，：旦：3 4 0 3 4 4 5 6 5 2 m s 西华大学硕士学位论文 式中巧为叶轮进口流速；a ，为叶轮进口处的圆环面积。 3 确定卜断面的面积： 对于双吸泵，在计算面积时，通过第断面的流量应当取q 4 ，q 是泵的流 量【9 1 。故 凡= 4 矿= 1 2 1 4 8 8 4 2 6 删，1 2 其他断面的面积与断面成比例的减小，即 一7 8 f 啊21 0 6 3 0 2 4 r a m 2 ，v = 三凡- 7 5 9 3 0 3 m m 2 ，v = 舌凡 2 詈- 4 5 5 5 - 8 2 m m 2 互= 昙= 1 5 1 8 6 1 m 肌2 民= 詈= 9 1 1 1 6 3 聊聊2 ，= 詈，= 6 0 7 4 - 4 2 ，z 脚2 晶= 詈凡= 3 。3 7 2 1 肌聊2 艮= 三= 1 5 1 8 6 0 5 3 3 m 聊2 2 2 2 螺旋形吸水室绘型 螺旋形吸水室的平面图和轴面投影图，通常以隔舌所在的断面作为0 断面， 轴面图上表示了各断面的形状和大小，隔舌通常位于与水平线4 5 0 处，有时增大 到9 0 0 ，对泵的性能影响不大。 1 绘型各断面的轴面投影图 各断面的形状根据结构调整，通常先画第断面，然后再绘制其它断面， 各断面的面积应等于计算面积。形状和尺寸应有规律的变化。面积应从隔舌算 起，因为隔舌外的环形空间是无效部分，计算面积不应包括在内。隔舌的形状 可酌情确定，但不应防碍泵体的加工、装配。在可能的条件下，可适当向下延 伸，以减小泵的体积【1 们。 确定第断面形状：在轴面面积满足要求的情况下，也希望同时满足叶轮 进口速度的要求。吸水室第断面的速度矩k 。为常数，叶轮入口也就是吸水室 出口，在3 6 0 0 圆周上速度矩并不是常数，平均值记为k 1 。 矿 令k 。= k 。p 也就是= 鲁，也等于叶轮入口3 6 0 0 圆周上平均的v u 除以 6 西华大学硕士学位论文 吸水室第断面的v u ，其值小于1 2 。另一方面，吸水室第断面的流量o 。= 阳 ( q 为叶轮单侧流量) ，口约小于1 2 。 q 8 = ，圪6 咖= 夸办从而 硼= 詈肛酗= 刮譬，将其代入上式 望( 垒) ；：陆 令望：c 吸水室过流断面面积的大小与水力损失有关，与泵的空蚀性能有关。等式 左边：c ( 詈) = 8 9 8 7 1 1 7 5 4 5 1 。7 8 4 5 4 1 。5 ；右边积分通过第断面的图解求 值，但积分很难满足两边相等。故第断面形状和尺寸最终以满足面积为标准。 在绘制过程中应尽量减小泵的轴向尺寸，吸水室的轴面投影图如下图2 1 所示。 f i g2 1a x i a lp r o j e c t i o ng r a p ho fs u c t i o nc h a m b e r 图2 1 吸水室轴面投影图 7 西华大学硕士学位论文 表2 1 轴面上各断面高( m m ) ： t a b2 1d a t ao fe a c hs e c t i o n 轴面 0ii iv 断面高1 2 01 4 3 1 8 1 6 4 31 8 3 92 0 2 7 2 2 0 6 2 3 8 1 2 5 5 42 7 2 53 0 7 4 2 绘制平面图 在平面上以每2 2 5 。画射线，把0 断面布置在第二象限与一x 方向成4 5 。 的射线上，断面位于y 轴的负方向上。水平投影图上，第断面与第断面 的夹角为4 5 。将各断面的高度转移到相应断面的射线上，以圆弧连接各点， 便得到0 一断面螺旋形部分的轮廓线。 由进口法兰的直径和位置分别确定从0 和断面到进口部分的螺旋线：从o 断面到进口部分，用两段相切的圆弧连接，进口处的圆弧与进口正交( 一圆弧 与水平线的交点为x 断面的项部点) ：从断面到进口部分有一段与水平方向成 2 。的直线和一段圆弧组成，圆弧经过断面顶点且分别与螺旋线和直线相切。 然后将从吸水室进口到x 断面的中心线( 中心线凭经验画出，经过吸水室进 口中心和射线中心) 部分粗略三等分，经过等分点做直线，使其尽量与上下轮 廓线正交。 f i g2 2h o r i z o n t a lp r o j e c t i o ng r a p ho fs u c t i o nc h a m b e r 图2 2 吸水室平面投影图 西华火学硕士学位论文 3 进口到第断面的过渡部分轴面图的绘制 在绘制d ( - x 、- x i 、i x i i 断面时，应同时绘制流道实际断面与有 效过水流道，其中，流道实际断面用于确定流道的实际形状，而有效过水流道 则用于断面面积的检查。各断面应从进口的圆形逐渐过渡到第断面的形状。 对半螺旋形吸水室，通过x 断面的流量是第断面的两倍，故d ( _ x 断面有效过水流道应为2 。其余各断面的有效过水流道面积应均匀变化：若 流道断面面积不符合要求，必须修改轴面投影图和平面投影图。 第、x 一x 断面旋涡区域的确定【1 1 j ： 量焉墨五i 童井量 f i g2 3b o d yg r a p ho fd o u b l e - s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m p 图2 3 单级双吸离心泵泵体展开图 将单级双吸离心泵的泵体沿吸水室流道中线展开( 如图2 3 ) ，可以直观的 分析压出室对吸水室流道的影响。出于压出室的局部阻碍，使得吸水室流道突 然缩小，而液体流动不能沿压出室外壁突然转折，于是就会形成一个较大的旋 涡区。旋涡区内的流动很不稳定，而吸水室内的主流部分相对稳定，旋涡区和 主流部分存在一个动态边界。 因此，半螺旋形吸水室内的液体流动可近似分为两个部分：压出室前的旋 涡区和不受压出室局部阻碍影响、流动相对平稳的主流部分。主流部分是有效 的流动，而旋涡区在整个流动过程中只是占据一部分流道，同时消耗一定流量。 主流部分过水流道可以称为有效过水流道。这样，在半螺旋形吸水室设计时， 9 西华大学硕士学位论文 由于有效过水流道内的流动是相对平稳的，因此可以按线性变化规律确定有效 过水流道的断面面积。在确定有效过水流道之前，应当先确定旋涡区区域。 旋涡区域可按如下方法确定：在流道展开图上先绘出压出室外壁的形状， 再作适当的圆弧与压出室外壁和流道中线相切，从而得到旋涡区边界在展开图 上的投影( 如下图2 4 阴影所示) 。但漩涡区域面积的计算目前暂无理论可循， 只能凭借经验。 设计中，一j 、一灯、，脚一脚的有效面积如下： f 一x = 2 f l l = 2 4 2 9 7 。6 8 5 2 m m | f 一般= 2 4 3 7 9 6 8 7 7 m m 2 f 珏i i m l = 2 4 4 6 1 6 9 0 1 m m l 1 进口二f = 2 4 5 4 3 6 9 2 6 m m 2 x ，7 7 f 7 二， _ _ 护： i 沙 。秀 i t ?钰 、 f i g2 4m i d d l es e c t i o ng r a p ho fs u c t i o nc h a m b e r 图2 4 吸水室中间断面图 1 0 西华大学硕士学位论文 第三章计算模型的建立及网格生成 3 1u g 软件简介 近年来，伴随着计算机技术的迅速发展和现代泵设计方法的不断完善，水 泵c a d 系统及其三维造型系统得以不断地研究与开发，大大推进了水泵业的发 展。 目前，国内通常使用的离心泵c a d 软件主要用于离心泵的二维水力设计 以及水力模型图的绘制，不能直观、形象地表示水泵的外观、结构等，难以满 足逐渐国际化的市场需求。离心泵三维造型是近年来新拓展的产品开发方法， 一方面，在设计过程中，提供其设计数据及检测零件干涉；另一方面，设计者 和用户以不同角度观察其内部结构和外观造型，可对其快速修改，有效地降低 研制成本、加速了新产品的开发。随着计算机集成制造技术( c d v l s ) 在水泵行业 中的推广应用，离心泵三维造型将成为离心泵设计制造技术迫切解决的技术关 键。而美国u g s 公司推出的面向制造行业的c a d c 剐巳c 州高端软件，集合 了概念设计、工程设计、分析与加工制造等功能。它实现了优化设计与产品生 产过程的组合，现在广泛应用于汽车、航空航天、消费电子、医疗仪器和机械 等各个行业。u g 具有非常强大的曲面功能，特别是对于复杂曲面有其独到之处。 3 2 利用u g 建模 本文所研究的吸水室结构比较复杂，两个半螺旋形吸水室在进口部分相连 通，而后绕过压出室外壁分别通向双吸叶轮的两个进口。在造型过程中涉及复 杂曲面的实体造型，因而利用了g a m b i t 软件与u g 软件的输出输入接口功 能先在u g 中绘制了吸水室的三维模型然后以p a r a s o l i d 格式输入到g a m b i t 中进行网格划分操作。 参考上一章吸水室的水力设计图( 图2 1 到2 4 ) 对半螺旋形吸水室进行造 型。具体的建模过程如下： ( 1 ) 在u g 草图中画出吸水室平面投影图( 亦可将a u t o c a d 中已经画好的平 面投影图直接导入u g 中，因为c a d 图形不能在u g 中进行编辑，因而不常用) 。 ( 2 ) 九个截面曲面特征的建立。经过分析，要建立此曲面体，可选择“通过 西华大学硕士学位论文 曲线网格”命令来实现。首先要建立扫描轨迹。根据c a d 图21 ，在u g 图中 己画好的吸水室平面投影图的基础上，依次绘制出九个截面。这九个截面均垂 直于原始轨迹。绘制的过程中，要注意绘制的起始点，且每个截