凸轮泵转子型线设计及模拟计算

摘要

随着流体机械的快速发展，特别是泵行业，结构简单且工作效益高的凸轮泵越来越受到研究人员的关注。凸轮泵是一种特别形式的容积泵，转子与腔壁间和两个转子间都存在合理的间隙。间隙的存在能保证介质安全输送，使转子与泵壁间不会产生滑动摩擦，延长泵的使用寿命。由于凸轮泵耗电量少、效率高，并符合国家的节能减排政策，各企业正在大力推行。目前，对凸轮泵的水力设计比较盲目，缺乏对凸轮泵的型线设计理论和介质在泵中的流动特性及工作参数的预测。本文以转子为直齿类型的凸轮泵为研究对象，对其工作原理及结构、型线的构成、模拟计算等几个部分进行了研究。
　　首先，一对完全相同的转子是凸轮泵的核心零件，两转子在泵腔内做持续的同步反向旋转运动，使介质吸入到泵腔中加压后排出。按照叶片的个数可以分为单叶、两叶、三叶和多叶的转子，本文主要针对两叶的转子凸轮泵展开研究。
　　其次，对三种不同的转子型线进行分析，分别是渐开线和圆弧、叶峰为圆弧叶谷为共轭曲线、叶峰为共轭曲线叶谷为共轭曲线的转子模型。通过几何方法和两转子的啮合原理求解出转子的理论型线方程。由于转子与腔壁间和两转子间存在间隙，利用转子中心偏移法求出转子型线的实际方程。根据转子型线方程利用积分法求解出不同类型凸轮泵的容积利用系数。在转子型线为渐开线—圆弧的基础上，提出了在渐开线和圆弧的衔接处插入一段高阶曲线的优化方案，能有效的消除“尖点”现象，保证整条型线连续、光滑。
　　应用计算机相关软件建立凸轮泵的二维、三维模型。建立完整的凸轮泵流场模型导入Gambit软件中划分网格和检查，并限定各模型进出口的边界条件。Fluent计算中，应用动网格理论导入对应UDF文件驱动两转子同步反向转动，采用K-Epsilon湍流模型及PISO算法对凸轮泵非定常湍流计算。在凸轮泵的入口端和出口端给予监视器进行监测。
　　最后，通过监测得到的数据可得到以下结果:
　　1.二维模拟计算中，三种模型的输出速度都呈现周期性的波动，渐开线和圆弧构成的模型输出的平均速度最大、综合性能最好;叶峰为共轭曲线叶谷为圆弧的模型波动的最剧烈、输出速度小，性能差。
　　2.对渐开线模型和叶峰为圆弧模型三维计算对比，两种模型输出流量和压力都呈现周期性的波动，渐开线模型输出压力较小，压力“脉动”现象较为明显，但输出的流量较大;叶峰为圆弧模型输出压力大，但流量较小。转子为渐开线的凸轮泵工作效率最优。
　　3.介质在泵腔内会出现二次流动和漩涡现象，主要出现在转子边缘处和两个转子啮合处，这种现象会损失介质的能量，造成泵的工作效率降低。
　　4.对于渐开线和圆弧构成的模型在转速提升的同时，出口的流量和压力都随之上升，压力波动的频率随之升高，产生较大的噪音。出口压力达到一定范围后，出口流量并没有增加，此时，凸轮泵模型泄漏或其他形式损失的能量较大，泵的工作效率降低。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 凸轮泵的简介

1．2 课题研究的来源、背景与意义

1．2．1 课题研究的来源

1．2．2 课题研究的背景

1．2．3 课题研究的意义

1．3 国内外研究现状

1．4 课题研究目的与内容

1．4．1 本课题的研究目的

1．4．2 本课题的研究内容

1．5 本章小结

第2章 凸轮泵的工作原理及结构

2．1 凸轮泵的工作原理

2．2 凸轮泵的结构

2．2．1 凸轮泵的分类

2．2．2 凸轮泵的组成

2．3 凸轮泵的材料及传动方式

2．3．1 凸轮泵零件的材料

2．3．2 凸轮泵的传动方式

2．4 凸轮泵的工作特点及性能指标

2．4．1 凸轮泵的特点

2．4．2 容积利用系数

2．4．3 凸轮泵的排量

2．4．4 凸轮泵的流量

2．5 凸轮泵的转子型线

2．6 本章小结

第3章 凸轮泵的型线方程

3．1 转子间隙

3．2 圆弧转子理论型线设计

3．2．1 圆弧转子基本几何参数关系

3．2．2 圆弧转子实际型线设计

3．2．2 容积利用系数

3．3 渐开线转子理论型线设计

3．3．1 渐开线形成原理

3．3．2 渐开线转子理论型线设计

3．3．3 渐开线转子实际型线设计

3．3．4 容积利用系数

3．4 优化设计方法

3．5 本章小结

第4章 模型的建立及模拟计算的前处理

4．1 建立凸轮泵模型

4．1．1 建模软件的简介

4．1．2 凸轮泵模型的建立

4．2 网格的划分

4．2．1 划分网格软件的简介

4．2．2 模型的网格划分

4．2．3 边界条件的设定

4．3 模拟计算

4．3．1 Fluent软件的简介

4．3．2 计算模型的选取

4．4 本章小结

第5章 凸轮泵模型模拟结果与分析

5．1 二维凸轮泵模型计算

5．2 三维凸轮泵模型计算

5．2．1 两种模型的对比

5．2．2 泵腔内部的能量损失

5．3 转速对凸轮泵的影响

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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