单流道离心泵非定常特性及水力设计方法研究

摘要

本文的研究是在国家科技支撑计划(2013BAK06B02)的资助下开展的。随着建设生态中国和加快环境治理的发展，单流道离心泵在污水污物和无堵塞输送方面得到了广泛的应用，但在能耗高和运行平稳性差方面还有很多难题需要研究。为了提高单流道泵运行的效率和稳定性，进一步丰富和发展单流道泵的水力设计方法，本文采用试验测试、数值计算和理论分析相结合的方法对单流道泵的非定常运行特性和水力设计进行了深入研究。主要工作和创造性成果有: 1.搭建了单流道离心泵能量性能和非定常特性的同步测试台，开展了能量性能、扬程脉动、压力脉动和径向力的试验研究。试验发现:(1)单流道泵的扬程具有强烈的非定常特性，设计工况下扬程脉动量是平均扬程的26.6％;(2)当泵的工况由0.6Qd增大到1.4Qd时，扬程极小值出现的叶轮旋转角度由43°逐渐增大到60°，扬程极大值出现的叶轮旋转角度由280°逐渐减小至268°;(3)当叶片出口边刚好通过隔舌位置时，蜗壳第8断面处的压力脉动出现峰值，随着叶轮的旋转，从蜗壳的第8断面到第1断面逐渐出现压力脉动峰值;(4)时均径向力随流量的增大呈先减小后增大的趋势，最小值出现在最优工况，当泵的工况由0.4Qd增大到1.4Qd时，时均径向力方向由蜗壳隔舌下游265°逐渐增大至隔舌下游272°。 2.基于试验对单流道泵复杂内流CFD计算方法进行了验证，并对叶轮内的流动特性进行了分析。(1)单流道离心泵内流数值模拟应采用非定常计算方法求解，其中小流量工况的内流CFD计算可采用SST k-ω模型，其它工况可采用k-ε模型;(2)当叶片出口边与蜗壳隔舌相对位置由0°旋转到325°时，叶轮出口处高压区的周向位置由40°增大至330°，高压区始终位于叶片出口边的下游位置;(3)小流量工况时，叶片进口边下游压力面流道内出现较严重的流动分离和回流现象。 3.针对单流道离心泵强烈的非定常特性，基于Backstr(o)m的单相对涡假设对Büsemann滑移系数理论解中的h0和cm进行了数学建模，首次建立了单流道叶轮全流量范围内滑移系数的求解公式，并用一台比转速ns=140的单流道离心泵对滑移系数进行了试验验证。结果表明:(1)建立的数学模型与理论解具有较好的一致性，其中h0的数学模型在β2B≥40°时比Wiesner解的精度更高;(2)全流量范围内滑移系数的计算结果与试验值基本一致，最大偏差仅为5.05％。 4.应用本文建立的单流道叶轮全流量滑移系数求解公式和能量损失模型，提出了一种单流道离心泵能量性能预测模型，并用2台单流道泵进行了试验验证。结果表明该模型能够较为准确地预测单流道泵扬程、功率和效率等性能，最大偏差在6％以内。 5.改进了单流道叶轮的水力设计方法。基于建立的能量性能预测模型，根据输送颗粒最大直径、设计工况扬程和电机最大配套功率的约束条件，以机组效率最高为设计目标，对单流道叶轮主要几何参数的计算方法进行了改进;首次针对“薄壁型”单流道叶轮提出了一种全单调的叶片型线函数，针对“厚壁型”单流道叶轮提出了一种流道中线方程，对单流道叶轮的绘型方法进行了改进。国内外同类产品的性能对比表明，采用改进水力设计方法两组叶轮的泵效率已达到国际先进水平。 6.基于试验和CFD研究了叶片型线函数、叶片出口平均安放角β2B和叶片包角εsb对能量性能的影响。结果表明(1)采用全单调型线函数、减小β2B以及减小叶片出口边吸力侧安放角β2SB可以降低叶轮出口混合损失和叶轮内的水力损失，εsb对叶轮出口混合损失的影响较小，但增大εsb能够降低叶轮内的水力损失;(2)随着β2B的减小，扬程流量曲线呈陡降趋势，功率流量曲线呈现无过载特性;(3)随着β2B由8°增大到25°，泵的扬程和功率逐渐增大，效率先增大后减小，效率最大增加了7个百分点;随着β2SB由24°增大到42°，扬程和功率逐渐增大，效率逐渐减小，效率最大减小了1.8个百分点;随着εsb由290°增大到390°，功率逐渐减小，扬程和效率逐渐增大，效率最大增加了7.79个百分点。 7.基于试验测量了叶片出口安放角和叶片包角对扬程脉动、压力脉动和径向力的影响。结果表明:(1)扬程极大值的时域分布以及径向力的方向主要受叶片出口边压力侧安放角β2PB的影响，受β2SB和εsb的影响较小，随着β2PB由8°增大到25°，扬程极大值在时域上逐渐滞后，径向力方向指向的周向角度逐渐减小;(2)随着β2B由8°增大到25°、β2SB由24°增大到42°以及εsb由390°减小到290°，泵的扬程脉动、压力脉动和径向力逐渐增大，几何参数对扬程脉动和压力脉动影响程度从大到小依次为β2B＞β2SB＞εsb，对径向力影响程度从大到小依次为β2SB＞β2B＞εsb;(3)在保证单流道泵能量性能和颗粒通过性能的情况下，减小β2B和β2SB以及增大εsb有利于改善泵的非定常特性，提高单流道泵的运行稳定性。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题的研究意义

1．2 单流道离心泵概述

1．2．1 污水泵的叶轮型式

1．2．2 单流道离心泵的特性

1．3 单流道离心泵研究现状

1．3．1 单流道离心泵设计方法的研究现状

1．3．2 单流道离心泵能量预测模型研究现状

1．3．3 单流道离心泵非定常特性的研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 单流道离心泵特性的同步测试

2．1 试验对象

2．2 单流道离心泵试验测试系统

2．2．1 能量性能测量装置

2．2．2 压力脉动测量装置

2．2．3 叶轮位置监测装置

2．2．4 其他关键测量装置

2．2．5 非定常特性采集装置

2．2．6 试验回路系统

2．3 试验内容及试验步骤

2．3．1 试验内容

2．3．2 试验步骤

2．4 试验结果分析

2．4．1 能量性能分析

2．4．2 扬程脉动特性分析

2．4．3 静压分布分析

2．4．4 压力脉动分析

2．4．5 径向力分析

2．5 本章小结

第三章 单流道离心泵内流CFD数值模拟

3．1 数值模拟理论基础

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型

3．2 几何模型建立和网格划分

3．3 数值模拟方案

3．3．1 边界条件

3．3．2 交界面

3．3．3 网格无关性验证

3．3．4 定常计算设置

3．3．5 非定常计算设置

3．4 结果分析

3．4．1 定常及非定常计算方法验证

3．4．2 湍流模型验证

3．4．3 单流道叶轮出口静压分布

3．4．4 单流道叶轮内流场

3．5 本章小结

第四章 单流道离心泵能量性能预测模型研究

4．1 滑移系数及扬程修正系数

4．1．1 滑移系数及扬程修正系数定义

4．1．2 滑移系数解

4．1．3 扬程修正系数解

4．1．4 滑移系数解与扬程修正系数解的区别

4．2 单流道叶轮滑移系数求解公式

4．2．1 单流道叶轮h0和cm曲线分界点

4．2．2 单叶片数Büsemann系数h0和cm数学建模

4．2．3 单流道叶轮滑移系数求解公式

4．2．4 单流道叶轮滑移系数试验和CFD验证

4．3 单流道离心泵无因次特性曲线

4．3．1 扬程特性曲线

4．3．2 功率特性曲线

4．3．3 无过载功率特性曲线

4．4 单流道泵内的损失和效率

4．4．1 电机损失和效率

4．4．2 机械损失和效率

4．4．3 水力损失和效率

4．4．4 容积损失和效率

4．4．5 圆盘摩擦损失和效率

4．5 单流道离心泵能量性能计算模型

4．5．1 单流道离心泵能量性能计算步骤

4．5．2 能量性能模型验证

4．6 本章小结

第五章 单流道叶轮水力设计方法研究

5．1 单流道叶轮水力设计方法概述

5．1．1 主要几何参数计算方法

5．1．2 绘型方法

5．2 单流道叶轮水力设计方法的改进

5．2．1 叶轮主要几何参数

5．2．2 约束条件及目标函数

5．2．3 单流道叶轮水力设计流程

5．2．4 型线方程的改进

5．3 设计实例及试验测试

5．3．1 单流道叶轮几何参数

5．3．2 “薄壁型”单流道叶轮绘型实例

5．3．3 “厚壁型”单流道叶轮绘型实例

5．3．4 “厚壁型”和“薄壁型”叶轮试验对比

5．3．5 同类产品性能对比

5．4 本章小结

第六章 单流道离心泵能量性能研究

6．1 试验叶轮主要几何参数

6．2 叶片型线对能量性能的影响

6．2．1 研究方案

6．2．2 型线对外特性的影响

6．2．3 型线对能量损失的影响

6．3 叶片出口安放角对能量性能的影响

6．3．1 研究方案

6．3．2 叶片出口安放角对外特性的影响

6．3．3 叶片出口安放角对叶轮出口混合损失的影响

6．3．4 叶片出口安放角对叶轮内水力损失的影响

6．4 叶片包角对能量性能的影响

6．4．1 研究方案

6．4．2 叶片包角对外特性的影响

6．4．3 叶片包角对能量损失的影响

6．5 本章小结

第七章 单流道离心泵非定常特性研究

7．1 叶轮几何参数对扬程脉动的影响

7．1．1 扬程时域脉动特性的变化规律

7．1．2 扬程脉动系数的变化规律

7．2 压力脉动特性

7．2．1．叶片出口安放角对压力脉动的影响

7．2．2．叶片包角对压力脉动的影响

7．3 叶轮几何参数对径向力的影响

7．3．1．径向力时域分布的变化规律

7．3．2．时均径向力的变化规律

7．4 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 研究总结

8．2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果