单叶片螺旋离心式潜水排污泵的优化设计及试验研究

摘要

随着城市污水处理和节能减排要求的不断提高，开发无堵塞高效排污设备显得迫在眉睫。因此，本文在国家十二五科技支撑计划“高效环保用泵关键技术研究及工程应用”(项目编号:2011BAF14B01)的资助下，对单叶片螺旋离心泵进行了相关研究。本文的主要研究内容和取得的主要创造性成果有:
　　1、简述了单叶片螺旋离心泵的两种设计方法，结合具体设计参数，采用保角变化法设计了单叶片螺旋离心叶轮水力图，并对其进行了预配重。
　　2、成功将多面体网格应用于单叶片螺旋离心泵的数值计算中，并与外特性试验结果进行了对比，验证了该数值计算方法的精度。
　　3、对比了不同进出口边形状、不同叶片高度和不同蜗壳隔舌半径时候，单叶片螺旋离心泵性能的变化，通过对内部流场的剖析，揭示了各个设计参数的作用机理;同时，研究了不同叶顶间隙大小情况下，单叶片螺旋离心泵性能的变化，并与试验结果进行了对比，认为实际安装中应保证最小间隙处不大于0.5mm。
　　4、结合具体工程改造项目，设计了比转速相近的传统多叶片式、单叶片式、双流道式离心排污泵，并加工样机和进行试验。根据相似定律，将各类型叶轮换算至与单叶片螺旋离心叶轮同一功率下。对比四者的最大通过颗粒直径、叶片进出口过流面积、高效区宽度及扬程、功率曲线的走势，结果表明，单叶片螺旋离心泵具有最大的通过颗粒直径和进出口面积，并具有平缓的功率曲线和陡降的扬程曲线，效率略次于传统多叶片式排污泵。
　　5、通过透明水箱及叶轮底盖的加工，采用变频启动，利用高速摄影相机，研究不同直径颗粒及长纤维通过单叶片螺旋离心叶轮进口时的过程，发现了颗粒通过叶片进口边并通过叶轮的两种方式，揭示了单叶片螺旋离心叶轮抗堵塞和对输送介质无损性的原因。
　　6、针对单叶片螺旋离心叶轮的配重问题，提出采用参数化建模技术及虚拟样机仿真技术相结合的解决方式，结果表明，通过该方法配重后的双面不平衡质量均在20g以内，精度较高，且节约了大量的时间和成本。
　　7、通过样机改造，实现了潜水状态下，机组不同位置处的压力脉动、振动测量及轴心轨迹测量。通过对振动的测量可知，设计工况下的振动最小，随着流量的增加或减小，振动逐渐增加;随着叶顶间隙的增加，底盖衬套和电机上测点处的振动明显加强，而蜗壳隔舌及基础上的变化规律则不明显。通过对轴心轨迹和压力脉动的分析，给出了二者的分布规律及随着叶顶间隙、不同偏重等因素的变化趋势。
　　8、对比了数值计算与试验的压力脉动结果，二者具有较好的吻合度，并通过对数值计算内部流场的剖析，揭示了压力脉动曲线变化的原因。其次，研究了数值计算预测的径向力结果，并通过与试验中轴心轨迹的对比，判断了计算的正确性。最后，通过将数值预测的叶轮表面迹线分布与油膜试验对比，发现了单叶片螺旋离心泵内部的叶顶泄漏、回流及旋涡等流动现象。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 传统多叶片离心式排污泵

1．2．2 不同类型离心式排污叶轮

1．2．3 单叶片螺旋离心泵

1．3．本文的研究工作

第二章 单叶片螺旋离心泵的优化设计及CFD数值预测

2．1 设计参数

2．2 设计方法

2．3 设计结果

2．3．1 叶轮的水力设计

2．3．2 蜗壳的水力设计

2．4 数值计算

2．4．1 网格类型选择

2．4．2 数值计算方法

2．4．3 网格无关性分析

2．4．4 数值计算结果

2．5 优化设计

2．5．1 进口边的影响

2．5．2 出口边的影响

2．5．3 叶片高度的影响

2．5．4 蜗壳隔舌的影响

2．5．5 叶片顶部间隙的影响

2．6 试验验证

2．7 本章小结

第三章 不同类型潜水排污泵叶轮的对比

3．1 潜水排污泵对比种类的选择

3．2 WQ700-18-55传统多叶片叶轮式排污泵

3．2．1 设计背景及设计参数

3．2．2 设计方法及设计结果

3．2．3 加工方案及试验结果

3．3 WQ700-20-55双流道叶轮式排污泵

3．3．1 设计背景及设计参数

3．3．2 设计方法及设计结果

3．3．3 加工方案及试验结果

3．4 WQ400-13-22单叶片叶轮式排污泵

3．4．1 设计背景及设计参数

3．4．2 设计方法及设计结果

3．4．3 加工方案及试验结果

3．5 WQ190-9-7．5单叶片螺旋离心式叶轮排污泵

3．6 四种类型潜水排污泵综合性能对比

3．6．1 通过能力对比

3．6．2 外特性对比

3．7 单叶片螺旋离心式潜水排污泵的通过能力试验

3．8 本章小结

第四章 单叶片螺旋离心叶轮的动平衡研究及结构设计

4．1 动平衡问题

4．2 试验改型法

4．3 基于虚拟样机仿真技术的配重方法

4．4 结构设计

4．5 本章小结

第五章 压力脉动、振动及轴心轨迹试验研究

5．1 压力脉动、振动及轴心轨迹的基本理论

5．1．1 压力脉动

5．1．2 振动

5．1．3 轴心轨迹

5．2 试验装置改造及相关试验设备

5．2．1 外特性试验

5．2．2 压力脉动、振动及轴心轨迹试验

5．3 试验方案与步骤

5．3．1 试验方案

5．3．2 试验步骤

5．3．3 试验用泵及现场

5．4 试验结果

5．4．1 光轴空转

5．4．2 压力脉动结果

5．4．3 振动试验结果

5．4．4 轴心轨迹试验结果

5．5 本章小结

第六章 非定常数值计算及与试验的对比研究

6．1 非定常数值计算前处理

6．1．1 模型及网格选择

6．1．2 步长设置

6．2 非定常数值计算结果

6．2．1 压力脉动结果

6．2．2 径向力及轴向力结果

6．2．3 叶轮表面流线

6．2．4 泵内部流场

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 发展展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文及参加的科研工作

致谢