低浓度纸浆泵的数值模拟、水力优化与试验研究

摘要

我国纸和纸板的生产量居世界首位，造纸工艺流程泵是造纸厂的核心动力，被广泛用于造纸工业浆料输送的各个环节。随着我国造纸业的快速发展和国家节能环保政策的实施，对高效造纸工艺流程泵的需求量逐年增加。然而，国内造纸工业流程泵的研发企业尚不具备流程泵的研发能力，长期以来，我国都需要从国外大批量、高价进口高效的造纸工艺流程泵，在这种情况下，发展具有自主知识产权的高性能造纸工艺流程泵迫在眉睫。 目前用于输送低浓度纸浆的造纸工艺流程泵主要为少叶片开式或半开式叶轮的离心纸浆泵，以前后耐磨衬板替代叶轮前后盖板，在叶轮和前后耐磨衬板之间留有间隙，以提高泵的含气输送能力，且叶轮与前后耐磨衬板之间的间隙的大小可以调整，便于在叶片磨损后调节叶轮与耐磨衬板之间间隙的大小，确保泵高效稳定运行，同时节约使用和维修成本。但由于叶片数少、叶片包角大及间隙的存在等问题，泵扬程和效率相比普通离心泵较低。因此，本文对低浓纸浆泵进行了如下的研究，和优化设计，并取得了较好的研究成果。 （1）在标准试验台上对100-265型号的原型纸浆泵进行了外特性试验，发现原型纸浆泵的扬程和效率低下，最佳工况偏大流量工况。 （2）采用数值模拟的方法，对原型纸浆泵水体计算域进行三维造型、网格划分，运用CFX软件模拟计算原型纸浆泵的性能；对比了数值计算结果和试验结果，确定数值计算方法的可靠性；分析结果显示，原型纸浆泵的实际扬程和效率与设计所需相差较远；在数值计算时，考虑叶轮与前耐磨衬板之间间隙时的计算结果会明显低于不考虑间隙时的计算结果。 （3）统计了6组模型的尺寸参数，计算了模型的进口当量直径系数、叶轮外径系数、出口宽度系数以及设计扬程与试验扬程的比值；统计数据显示，各模型的进口当量系数的差值不大；大部分模型的叶轮出口安放角较大，当叶片包角和出口安放角较小时，模型泵的试验扬程明显低于设计扬程。 （4）针对原型纸浆泵扬程低、效率低的问题，分别对原型纸浆泵的叶轮和蜗壳进行优化；根据 DOE 设计方法的统计分析结果显示，原型纸浆泵的包角偏小；设计了大包角的不同叶片出口安放角的叶轮和较小的蜗壳，并将不同的叶轮分别与原型纸浆泵的蜗壳和新设计的小蜗壳匹配计算，对比分析各组模型的性能；根据计算结果，当蜗壳相同时，随着叶片出口安放角的增大，扬程增大而效率降低；对于该型号的纸浆泵，当叶片出口安放角相同时，配有小蜗壳的模型的效率和扬程均明显比匹配大蜗壳的模型高；因此，为了提高泵的性能，优化后采用较大出口安放角的叶轮及较小蜗壳的模型。 （5）分别提取了叶片工作面和背面的压力，以叶片载荷作为一个评判标准评价优化的叶轮的性能的好差；对比结果显示，原型纸浆泵与优化设计的三个模型，叶片表面载荷随着叶轮出口安放角的增大而增大，叶片做功能力提高，这与扬程随叶片出口安放角变化的趋势相同，印证了叶片出口安放角对模型的水力性能的影响规律； （6）根据前期的优化设计经验，对同一系列另一型号的泵进行了优化设计，优化后泵的扬程和效率明显提高，扬程提高3m，效率提高7个百分点。 （7）采用六面体结构网格对模型的计算域进行了网格的生成，分析间隙处流场分布；研究结果显示，随着流量的增加，流体从间隙处由工作面流向背面，在间隙内流体速度先增加后减小；叶片叶顶和叶片出口处压力较高，因此，在叶轮顶部尤其是出口段，叶片磨损严重；在叶片背面附近区域，靠近前间隙和后间隙区域存在漩涡，从进口边到出口边，漩涡从近壁面处向流道中间发展。在叶轮进口和出口处，叶顶间隙两侧压差较小，中间区域压差随流量增加而变大，空气从进口进入后，随着间隙两侧压差的增大，空气从工作面向背面运动，叶片两侧压力分布趋于均匀。 （8）选取优化的模型，根据几何相似原理，进行缩小后的模型的开发，在纸浆泵实验台上进行了外特性实验；试验结果显示，开发的模型泵的效率明显提高，最优工况偏小流量工况，优化后的模型泵样机的最优工况比原型纸浆泵的最优工况的扬程提高0.6m，效率提高14.8个百分点。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2研究现状

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.2.3 离心式纸浆泵开式、半开式前后间隙研究

1.3 本文主要研究内容

第二章 低浓原型纸浆泵的计算与分析

2.1原型纸浆泵的数值计算

2.1.1设计参数及三维造型

2.1.2网格划分

2.1.3边界条件设置

2.2外特性试验

2.3原型纸浆泵的计算结果与分析

2.4本章小结

第三章 低浓纸浆泵的水力优化设计

3.1优化设计方法介绍

3.2 低浓纸浆泵叶轮水力优化设计

3.2.1 低浓纸浆泵尺寸统计与分析

3.2.2 低浓纸浆泵叶片出口安放角和包角的优化设计

3.2.3 优化方案计算结果

3.3低浓纸浆泵蜗壳的优化

3.4本系列其他产品的优化设计结果

3.5本章小结

第四章 低浓纸浆泵前后间隙处流动分析

4.1 原型纸浆泵结构网格划分

4.2. 流量、扬程分析

4.3低浓纸浆泵流场计算结果

4.3.1 叶轮流道内流线分析

4.3.2叶片表面压力分析

4.3.3叶轮前间隙处速度场分析

4.3.4 叶轮前间隙处压力变化

4.2本章小结

第五章 纸浆泵模型试制及试验验证

5.1模型试制

5. 2 试验台简介

5.3试验结果与分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 工作展望

参考文献

致 谢

附录 攻读硕士研究生期间取得的研究成果