低比转数无过载串并联离心泵研究

摘要

随着串并联离心泵在消防和特殊军工船舶领域的广泛应用，安全性和运行稳定性是近年来水泵领域的热门话题和重要的科研难题，而水力性能优越性和无过载性能是评价其综合性能的关键性技术指标。
　　本文主要从无过载理论基础出发，应用现代计算流体力学CFD技术，结合正交试验方法探求兼顾各个评价指标的最优方案。通过改变影响串并联离心泵性能的关键性技术参数，分析不同参数下泵内部流动规律，探讨最优方案。在此基础上分析叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响，最后结合试验验证计算方法的准确性。
　　主要工作和研究成果如下：
　　（1）基于无过载理论，分析影响叶轮无过载水力性能的关键性参数，探索这些参数对低比转数串并联离心泵无过载特性影响。采用正交试验方案，对叶轮出口安放角β2、叶轮出口排挤系数ψ2、叶轮出口宽度b2、叶轮包角φ四个关键性几何参数建立L9（34）正交表，得到了9种不同模型配置方案。探讨这几个几何参数对最大轴功率Pmax、位置流量Q’t和效率η影响规律，通过综合分析最终确定叶片出口安放角β2=13°、叶片出口排挤系数ψ2=0.3、叶轮出口宽度b2=10mm以及叶轮包角φ=150°为最优方案，满足无过载性能的要求同时也兼顾了效率。
　　（2）采用相同的正交试验方法探讨蜗壳几何参数对串并联离心泵无过载特性影响，结果表明：第Ⅷ断面面积F8=1183.56 mm2、隔舌安放角Φ=25°、蜗壳进口宽度b3=20mm以及蜗壳基圆直径D3=263mm为最优方案。在此基础上，对蜗壳的出口管形式进行研究分析，得到侧直出口结构水力性能较为优越。
　　（3）针对不同叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响，从速度三角形理论出发，引入进口速度加权平均角度γ，对不同叶轮进口条件下的单级和串并联离心泵模型进行分析，探讨了最大轴功率Pmax以及所对应的流量Qt?公式。通过数值计算得到了不同叶轮进口条件下的γ值，并分析γ值于无过载性能之间的关系。研究表明：不同的进口条件进水来流并没有垂直进入到叶轮内部，而是与叶轮进口截面成一定的角度，在一定范围内，γ值越大越有利于无过载性能的实现。
　　（4）借助CFD数值模拟计算软件对串并联离心泵水力模型不同状态下的内部流场进行仿真计算，对串并联离心泵串联状态和并联状态下的计算结果进行分析，结果表明其内部流场压力分布均匀，流线分布合理。搭建试验台进行样机试验，得到不同工况下的试验数据，通过外特性能曲线，比较分析数值模型和试验结果，结果表明：计算结果与试验结果能够较好的吻合，且有最大轴功率值，满足无过载性能要求，研究结果为低比转数无过载串并联离心泵未来的科研奠定基础。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作内容

第2章 数值模拟理论分析

2.1 单级离心泵模型建模

2.2 串并联离心泵实体建模

2.3网格生成

2.4边界条件设定

2.5数值模拟理论与选择

2.6湍流模型选择

2.7本章小结

第3章低比转数离心泵无过载理论分析

3.1叶轮无过载理论分析

3.2蜗壳无过载水力设计理论

3.3 小结

第4章低比转数无过载串并联离心泵正交试验

4.1叶轮正交试验设计

4.2 蜗壳正交试验设计

4.3本章小结

第5章 进口条件对串并联离心泵无过载特性研究

5.1无过载进口条件理论基础

5.2串并联离心泵无过载理论基础

5.3叶轮进口条件对无过载特性影响研究

5.4本章小结

第6章低比转数无过载串并联离心泵水力性能研究

6.1低比转数串并联内部流畅分析

6.2试验验证

6.3低比转数串并联外特性分析

6.4本章小结

总结和展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文和发明专利