开题报告-分段式多级离心泵的设计

PAGEPAGE1开题报告题目分段式多级离心泵的设计选题的目的、意义（含国内外相同领域、同类课题的研究现状分析）：泵作为一种通用机械工在国民经济的各个领域都得到了广泛应用，其应用几乎遍及国民经济各个领域，应用泵技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志之一，所以正确合理地提高泵的设计与使用，对于提高各类泵类机械及装备的工作效率和技术经济性能具有重要意义。同时能让我们学到的理论知识运用到实践中，提高实践能力,使我们的设计更具实用性。离心泵的设计是整个数控机床设计的一部分，他与主机的设计是紧密相关的。液压传动是基于以密闭容器中流体的静压力传递力和功率这一原理来实现的。离心泵设计的步骤一般是：（1）根据泵的主要设计参数进行吸入口径和压出口径的确定，转速的选择和确定。（2）泵的结构形式的确定。选择泵的比转速并确定泵的级数，泵的结构形式选择，泵的效率的估算，轴功率的计算与电机的选择，轴向力的平衡与结构形式的选择；（3）水力设计。叶轮设计，导叶设计，轴向力平衡机构设计等；（4）其它部件的结构选择。包括联轴器，轴承、密封等；（5）轴的临界转速计算及强度计算；（6）叶轮、轴、泵体等主要零部件设计图和三维造型；（7）离心泵装置结构设计；（8）绘制工作图，编制文件，并提出离心泵设计任务书。一、课题研究的主要内容、目的和意义主要研究分段式多级离心泵，包括：离心泵的叶轮、轴、泵体，离心泵的叶轮加厚、分为以下几部分:（1）离心泵原理图的设计；（2）离心泵元件的选择；（3）离心泵的三维装配图和二维装配图；（4）叶轮加厚的设计与计算；二、课题研究的现状内的实际流动规律很复杂，还远没有被人们所认识，以至于迄今泵的设计仍停留在半理论、半经验的阶段。国内开发泵产品一般都要经过设计、试制、试验、改进的过程。这样一个繁琐过程，消耗了大量的时间，人力和财力。如果能够依据设计的泵叶轮、蜗壳等过流部件的几何参数准确地预测出泵的性能曲线，就能够大幅地减少泵的模型制作、试制、试验的费用并缩短设计和制造周期。目前泵性能预测的结果还不能完全满足工程应用的需要，因此对泵性能预测的深入研究具有重要的理论意义和社会经济效益。

1．国内外研究现状

长期以来，国内外学者对泵性能预测进行了大量研究，取得了不少成果，归纳起来主要有流场分析法、水力损失法和神经网络法。

(1)流场分析法

流场分析法的实质就是建立泵内部流场特征和泵外特性之间的关系，是泵研究领域中一个重要的课题。主要包括两方面的问题：一是获得泵内部流场的特征；二是建立泵外特性与内部流场之间的关系。目前，国内外对前者所做的研究比较多，且取得了较丰富的研究成果，而对后者的研究则很少，处于起步阶段。

泵内部流场的数值模拟包括对泵叶轮、吸人室和压水室内流场的模拟，并且为了保证性能预测的精度，一般都要进行全三维的数值模拟。由于泵内的流动一般都是湍流，而对湍流的数值模拟是CFD(计算流体力学)的一个难点，但同时又是一个热点，因此要对泵内流场进行准确的全三维数值模拟还有较大的困难。目前湍流的数值模拟方法主要有三种：一是直接模拟(DNS)。由于计算机速度和容量的限制，该方法在工程中还应用得较少。二是大涡模拟(LargeEddy

Simulation)。该法通过某种滤波方法将湍流运动分解成高度各向异性的大尺度涡和大致各向同性的小尺度涡，对前者通过数值求解微分方程进行直接计算，而后者对前者的影响则通过近似模拟来处理。同直接模拟一样需要比较大的计算机容量和很快的处理器。三是雷诺(Reynolds)时均法，这是目前流体机械中采用的主要方法。该法将N—S方程对时问作平均，求解工程中感兴趣的时均量，但需要用湍流模型来封闭方程组。K-￡双方程湍流模型由于有较好的精度和通用性且计算量又不太大，所以成为研究最多、应用最为广泛的模型之一。不管采用哪一种计算方法，所有的计算过程都是由计算机完成的，包括建模、网格划分、计算及流场分析等一系列过程。目前很多商业软件如FLUENT、STARCD、FIDAP都可以进行三维湍流计算，且具有一定的精度。

用流场分析法来预测泵性能的关键就是如何建立泵内流场特征和外特性的关系。目前国内外这方面的研究成果还不是很多，从查阅的文献来看，这一方法是确实可行的。一旦能够建立泵内外特性的准确的数学表达式，则泵性能预测的精度将会有一个很大提升，同时可以使泵内流研究和工程应用结合起来。这类研究在仔细分析和研究了26个离心泵水力模型的基础上，通过回归分析初步建立了平均减速比、叶片负荷系数、初始变化率等内流特征参数同设计工况点效率的相对值、高效区宽广度、驼峰系数等外特性之间的关系，并给出了数学表达式，实现了离心泵内外特性的统一，并使流动计算和离心泵性能预测有机结合起来，为分析和预测离心泵性能提供了一种新的途径；应用N-S方程和标准K-￡湍流模型，使用SIMPLEC算法计算了水泵水轮机内部流场，通过计算出的叶轮压力场和速度场的分布，用伯努利方程计算泵的实际扬程，用泵的基本方程计算理论扬程，以此获得水力效率与轴功率，再利用不同非设计工况下的数值模拟结果就可以得到泵的外特性；利用已知的速度场和压力场，应用边界层理论直接计算混流泵的水力损失，从而完成对混流泵的性能预测，这对用流场分析法预测离心泵的性能提供了一种新思路即可以在分析泵内部流场的基础上再计算泵的水力损失、从而建立泵内外特性的关系，实现泵性能预测，用流场的数值模拟结果分析离心泵内的汽蚀情况。由此可见泵的所有外特性都可以通过内部流场的分析预先判断出其性能优劣。

应用流场的数值模拟进行泵性能预测的优点是：只要建立的内外特性的关系准确，其预测精度比水力损失法和神经网络法都要高。但目前该方法还有很多地方有待研究，如现有方法在设计工况附近精度较高而在非设计工况点尤其是小流量工况下误差较大，而且目前的计算只是单独计算叶轮内部的流场，并未考虑压水室等过流部件的影响，对二次流和回流等流动因素也未作考虑。用流场分析法预测泵的性能处于刚刚起步的阶段，是未来泵性能预测发展的主要方向。

(2)水力损失法水力损失法是目前预测泵性能最常用的方法。它是通过对各种水力损失的物理本质及其影响因素的分析，寻求各种损失与泵结构参数的关系，并对流动作一定的假设、简化，建立水力损失模型。对不同的损失用不同的计算公式，最后根据泵基本方程求得性能曲线。因此水力损失的计算就成了水力损失法的关键所在。泵的水力损失主要是指叶轮和压水室内的水力损失，同时泵还有容积损失和机械损失。

叶轮内的水力损失主要可分为叶轮进口处液流冲击损失、叶轮流道内的水力摩擦损失和扩散损失以及叶轮出口处水力损失。对叶轮内的水力损失有两种求法：一是分别求各项水力损失；二是将叶轮内的水力损失统一求解。近年来应用较多的是前一种方法，且多数都是用半经验半理论的公式进行求解。

由于离心泵压水室的主要结构形式就是蜗壳，因此此处就以蜗壳来说明离心泵压水室中的水力损失。蜗壳内的水力损失可分为螺旋段部分水力损失和扩散段部分水力损失。螺旋段水力损失包括沿程摩擦阻力损失和冲击混合损失。扩散段的水力损失包括摩阻损失和扩散损失。因扩张流道内的流动比较简单，采用一维方法计算扩散损失与实际吻合得很好，因而目前对这部分损失仍采用该方法计算。但由于螺旋段的流动非常复杂，一元流动的方法所预测的结果与实际情况尚存在着偏差，因而这部分损失计算一般都采用二维或准三维的方法来计算。对于损失法而言，由于容积效率和机械效率的变化不大，因此水力损失的准确计算是最重要的，对预测精度影响也是最大的。

泵的容积损失主要是由叶轮前密封环处的泄漏造成的，多级泵还包括级间泄漏。

泵的机械损失是指机械摩擦引起的功率损失。一般分为两种，一种是轴承、轴封等部位的固体摩擦损失，这部分损失是轴功率的1％到3％；另一种是叶轮旋转时，其盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的损失，称为圆盘摩擦损失，通常认为圆盘摩擦损失与叶轮外径的五次方成正比.

损失法的优点是可以全面考虑泵内各种因素的影响，对实际工程中的性能预测有着一定的实用性和准确性。损失法的缺点在于应用损失法时总要对某一具体的泵进行一些条件简化以建立损失模型、然后再计算各种损失，因此其计算复杂且不具有普遍性。

(3)神经网络法

人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，ANN)亦称为神经网络(NeuralNetwork，NN)，是由大量处理单元广泛互连而成的网络，是对人脑的抽象、简化和模拟，反映人脑的基本特性。人工神经网络的计算能力有三个显著的特点：一是它的非线性特性；二是大量的并行分布结构；三是他的学习和归纳能力。归纳指神经网络在学习(训练)过程中能为新的输入产生合理的输出。具有了这些特性的人工神经网络能够解决许多复杂的问题。人工神经网络有多种结构形式，其中BP网络(误差反向传播神经网络)由于算法清楚，学习精度较高，同时它还具有优良的函数逼近特性和非线性映射能力，因此在泵性能预测中得到了应用。

在利用BP网络进行泵性能预测时，首先要选取大量优秀的泵水力模型的参数对网络进行训练。在对网络进行了训练之后，还要再用一部分优秀的水力模型参数对网络进行校验。若误差在控制范围之内则可用来进行性能预测，否则要继续训练网络。需要注意的是，在用BP神经网络进行性能预测时，输人模式的选取在很大程度上影响着预测的精确性。因此在具体应用时对输入模式一定要给予充分的重视。目前大多数利用神经网络预测泵性能的研究都是基于现有的神经网络商业软件完成的。如应用NeuroShell2软件采用BP网络对离心泵的性能进行预测，其结果具有一定的精度。

BP神经网络在预测泵性能方面除了有算法清楚、学习精度高、训练后进行速度快、映射能力强等优点之外，还有一个很大的优点就是：在现有商业软件基础上，一旦选定算法和输人模式之后其过程和思路就会变得非常简单和清晰。但利用神经网络预测泵性能时也存在着一些不足之处，学习算法的收敛速度较慢，由于是梯度下降法所以不能保证收敛到全局最小点，中间层个数及中问层的神经元素的选取缺乏理论指导，网络的学习和记忆具有不稳定性。不过即使这样，未来利用神经网络预测泵性能也必将是研究的热点。。二．本题的基本内容：设计（论文）的主要内容与要求及其主要技术指标：1．有关本课题的任务要求：分段多级泵的功能是平衡盘实现定位平衡轴向上的轴向力、联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮、叶轮导叶往复运动；轴承架的顶紧、轴承快速退回、保持原位。2．有关本课题的工艺参数：清水泵参数：流量Q=220扬程H=850m，装置汽蚀余量，电机输出功率P=800kw3．工作量分析及任务分解：（1）设计内容：根据需要实现的功能设计分段多级泵的原理图，设计叶轮和导叶、泵壳壁厚、泵的各种附件画多级泵装配图和各零件图；（2）绘图：A1分段多级离心泵零件图四张，A0装配图一长。（3）论文编制：按照学校相关文件的要求编写设计论文。（4）英文翻译：要求翻译出汉字约为3000字左右的专业技术文章。进度安排序号毕业设计（论文）工作进度日期（起止周数）%1教师布置题目；查阅资料；写参考文献（至少15篇）；外文翻译（教师限制译文内容、方向）；根据给定的设计参数和需求，确定设计方案。第1——2周102设计分段多级离心泵的原理图原理图，计算后选择水泵和电机。确定油箱容积并对其进行结构设计。第3——5周253选液压叠加阀和附件，中期检查。第6周104绘制液压系统零件图和装配图。第7——9周355按规定格式编制设计说明书。第10——11周56预答辩、修改设计说明书和图纸第12周107答辩第13周5三、推荐使用的主要参考文献：[1]凌智勇编著.机床液压系统及故障维修.化学工业出版社.2007.7；[2]张利平.液压传动系统及设计.化学工业出版社.2005.8；[3]邵俊鹏,周德繁,韩桂华,刘家春编著.液压系统设计禁忌.机械工业出版社.2008.5；[4]张利平.液压控制系统及设计.化学工业出版.2006.6；[5]张岚，弓海霞，刘宇辉.新编实用液压技术手册[M].北京：人民邮电出版社,2008[6]张平格.液压传动与控制（第2版）[M].冶金工业出版社，2008[7]机械设计手册编委会.机械设计手册（液压传动与控制）[M].北京：机械工业出版社，2005[8]机械设计手册编委会.机械设计手册（液压传动与控制）[M].北京：机械工业出版社，2005[9]机械设计手册编委会.机械设计手册（第2版)[M].北京：机械工业出版社；2005（5）[10]机械设计手册编委会.机械设计手册（第4卷）[M].北京：机械工业出版社，2005指导教师意见