新型高压多级离心泵水力设计及优化研究

摘要

高压多级离心泵多应用于关乎国计民生的重要部门，是影响石油化工、反渗透海水淡化、电力以及冶金等行业生产装置正常运行的关键设备，而我国的高压多级离心泵设计和制造技术比较落后，产品主要依赖进口，严重制约了我国相关行业的发展。因此对高压多级离心泵进行设计和研究具有非常重要的经济意义和战略意义。
　　本文以一种大流量高扬程多级离心泵为研究对象，对其各个过流部件进行了水力设计，运用CFD数值模拟对泵内部流场进行了分析和性能预测，并对吸入室和新型空间导叶进行了优化设计。
　　本文主要工作及研究成果如下:
　　1.总结了高压多级离心泵国内外研究现状及发展趋势，根据21世纪高压多级离心泵节能、环保、高效的发展方向和市场需求，创新设计了新型空间导叶，详细介绍了其设计过程，并对叶轮、吸入室等其它过流部件进行了水力设计，确定了新型高压多级离心泵的主要设计参数。
　　2.运用Pro/E和ICEM软件分别对吸入室、叶轮、新型空间导叶等过流部件进行了三维水体造型和网格划分。
　　3.运用CFX软件，对高压多级离心泵进行了数值计算，分析了其内部流场特征和各过流部件的能量损失情况，并确定下一步对导叶和吸入室进行优化设计。
　　4.根据吸入室内部流场特征及参考了螺旋形、钟形吸入室等设计原理，设计了一种新型环形吸入室。
　　5.分两个阶段对新型空间导叶进行了优化，第一个阶段是按照L27(39)正交表，选取新型空间导叶9个几何因素，每个因素取3个水平，设计了27个导叶模型，并分别与相同的叶轮和吸入室装配，通过两级模型泵全流场模拟，获得了各试验方案在额定工况下的扬程和效率，并采用极差分析法探究了各几何因素对泵性能的影响规律，确定了所选几何参数的最优组合;第二个阶段是根据导叶流道过流面积的变化规律和导叶内部流场特征，运行改变导叶叶片型线的方法对导叶叶片厚度进行调整，使导叶流道更符合水力流动，并确定最优导叶模型。
　　6.对优化后的高压多级离心泵进行了4级全流场数值模拟和样机试验，通过数值模拟结果和试验结果对比分析，发现新型空间导叶有助于提高多级离心泵水力性能，验证了该新型空间导叶设计方法的可行性，为多级离心泵导叶设计提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高压多级离心泵与级间导叶

1．2．1 高压多级离心泵概述

1．2．2 级间导叶概述

1．3 研究现状

1．4 课题研究的目的和意义

1．5 本文主要研究内容

第二章 新型高压多级离心泵的水力设计及三维建模

2．1 泵的总体设计

2．2 确定轴径和轮毂直径

2．3 泵进出口直径的确定

2．4 叶轮的水力设计

2．5 新型空间导叶的水力设计

2．5．1 确定导叶结构形式

2．5．2 确定导叶轴面投影图

2．5．3 确定叶片平面图

2．6 吸入室设计

2．7 高压多级离心泵三维建模

2．8 本章小结

第三章 新型高压多级离心泵数值分析

3．1 计算流体动力学概述

3．2 控制方程及离散方法

3．2．1 控制方程

3．2．2 控制方程的离散方法

3．3 湍流概述

3．3．1 湍流雷诺方程

3．3．2 标准k-ε模型

3．4 多级离心泵计算区域的网格划分

3．5 运用ANSYS CFX进行流场计算

3．5．1 边界条件

3．5．2 求解控制的选择

3．5．3 计算模型级数

3．5．4 网格的无关性分析

3．6 多级离心泵性能预测

3．7 模型泵流场及外特性分析

3．7．1 流场分析

3．7．2 外特性曲线分析

3．8 分析总结

3．9 本章小结

第四章 新型高压多级离心泵的优化设计

4．1 吸水室的优化设计及流场分析

4．1．1 新型环形吸入室设计方法

4．1．2 吸入室流场分析

4．2 新型空间导叶优化设计

4．2．1 运用正交试验对新型空间导叶优化设计

4．2．2 第二阶段导叶优化

4．3 最优导叶流场分析

4．4 优化前后多级离心泵外特性对比

4．5 本章小结

第五章 多级离心泵全流道模拟与性能试验

5．1 优化模型的四级全流场数值模拟

5．2 新型多级离心泵外特性试验

5．2．1 试验装置

5．2．2 试验方法

5．3 试验分析

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文