离心泵叶轮不等扬程水力设计方法研究流体机械及工程

摘要

离心泵广泛应用于农业排灌、市政、轻工、化工、建筑、矿山和冶金等部门。随着社会进步和科技发展,人们对泵的高效率、稳定性和低噪声等方面提出了更苛刻的要求。目前广泛采用的离心泵叶轮水力设计方法,主要是以Stepanoff的经验系数方法为基础的相似设计法。这种方法的特点是总结了前人设计制造经验,特别是应用计算机以后,建立了优秀水力模型的数据库,这样,根据所需要的流量、扬程,从数据库选出合适比转数的水力模型设计一台相似泵,满足生产上的需要。但是,随着近年来对离心泵设计工况点的参数(如流量、扬程等)的精度要求越来越高,传统一元理论日益显示出在设计方面的不足。
　　 本文通过对3种离心泵方案等扬程设计研究,发现等扬程设计离心泵在叶片出口处流动并不理想,通过采用不等扬程设计方法,分别对3种离心泵方案进行了水力设计,获得了较好的叶片出口总压,静压及流速分布。并结合数值模拟CFD技术,对两种设计结果进行定常和非定常数值模拟,证实了不等扬程设计离心泵叶片方法的优越性,最后分别对等扬程设计的离心泵和不等扬程设计的离心泵进行试验研究和比较分析,进一步证实了不等扬程设计离心泵叶轮理论的正确性。本文主要的研究工作及创新点有:
　　 1.全面系统地分析了国内外离心泵水力设计方法的研究现状及进展,对传统离心泵水力设计中的相似换算法、速度系数法、面积比原理、优化设计法、三元理论等进行了较为详细的介绍,阐述了数值模拟技术在离心泵水力设计中的重要性,指出了现有水力设计方法存在的不足,并介绍了不等环量设计法在风机和轴流泵方面的研究及应用情况。
　　 2.首次提出了离心泵叶轮不等扬程水力设计方法。通过对传统离心泵水力设计方法的研究发现,传统离心泵水力设计方法会导致叶轮叶片出口处流动不理想,本文首次通过采用不等扬程法进行离心泵水力设计,获得了较好叶片出口总压、静压及流速分布。
　　 3.首次运用CFD技术分析了采用不等扬程法设计的离心泵内部定常和非定常流动。定常计算得到了各模型的静压、绝对速度、相对速度、蜗壳断面速度及叶轮出口前后盖板的压力分布,初步揭示了模型泵内的流动规律,分析对比了采用不等扬程设计及等扬程设计的水力性能,总结出采用不等扬程设计优点,并根据不同流量下模型的计算结果进行数据统计,绘制出预测的性能曲线,结果表明采用不等扬程设计中的方案一为最佳设计模型。非定常数值模拟证实了由于叶轮旋转和蜗壳之间的相互作用在离心泵内流动呈现出较强的非定常性,不仅同一时刻叶轮各流道的流动结构有差别,就是同一流道在旋转过程中流动结构也在不断变化,呈现出周期性的波动,致使蜗壳内部沿圆周各位置均存在周期性的压力脉动,压力脉动幅频普的最大幅值对应的频率值为主频与叶片数的乘积,并获得了产生压力脉动的主要影响因素。
　　 4.根据数值模拟结果可以实现对泵性能的预测,而通过与外特性试验所得的性能曲线的对比,则又可从一定程度上实现对数值模拟准确性的评估,验证数值预测的可信度。从各个模型数值模拟与实验数据对比表与图中可以看出,模拟结果和实验结果有一定的差距,但总体趋势一致,即在数值模拟中水力性能好的实验结果也比较理想。主要因为:预测值仅为水力效率,未考虑机械效率和容积效率,并且数值模拟把离心泵内的流动理想化了,而实际运行时不可能那么理想且实际运行中可能会产生气泡,所以数值预测的扬程普遍高于试验值。误差的大小与叶片数的多少有关系:叶片数越少,误差越大。
　　 5.首次将不等扬程水力设计方法应用于双叶片污水泵、自来水厂取水泵和核电站冷却水循环泵的水力设计,结果表明:(1)设计的双叶片污水泵水力性能很好,扬程曲线呈直线下降,无驼峰,高效区宽。(2)设计的自来水厂取水泵,在设计工况点效率达到最高值,最高效率η=85％,与KSB公司的同类产品效率η=82％相比,提高了3个百分点,效率指标达到国际先进水平。(3)设计的核电站冷却水循环泵水力模型效率高,换算到实型泵最高效率92.3％,额定点效率92％,高效区范围宽,效率指标达到同类泵的国际先进水平。

目录

文摘

英文文摘

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 离心泵水力设计方法研究现状

1.2.1 相似换算法

1.2.2 速度系数法

1.2.3 面积比原理

1.2.4 优化设计法

1.2.5 三元理论水力设计方法

1.3 离心泵内部流动数值模拟研究进展

1.3.1 数值模拟研究发展

1.3.2 离心泵内部流场数值模拟

1.4 不等环量设计法在流体机械中的应用

1.4.1 机中的应用

1.4.2 轴流泵中的应用

1.5 本文主要研究内容

第二章 离心泵叶轮不等扬程水力设计基本理论

2.1 离心泵叶轮水力设计方法概述

2.2 离心泵基本方程式

2.3 滑移系数定义

2.4 滑移系数公式

2.5 传统离心泵叶轮水力设计过程

2.5.1 基本设计参数

2.5.2 速度系数法初步确定叶轮主要尺寸

2.5.3 精算叶轮外径

2.6 离心泵叶轮不等扬程水力设计方法

2.6.1 传统水力设计存在的问题

2.6.2 离心泵叶轮不等扬程水力设计方法基本理论

2.7 本章小结

第三章 数值计算基本理论

3.1.控制方程

3.1.1 连续性方程

3.1.2 动量方程

3.2 Reynolds时均化的N-S方程

3.3 湍流模型

3.4 控制方程的离散

3.5 速度场和压力场耦合的SIMPLE算法

3.6 初始条件及边界条件

3.6.1 初始条件

3.6.2 进口边界条件

3.6.3 出口边界条件

3.7 本章小结

第四章 离心泵内部流动定常数值模拟

4.1 离心泵的基本参数

4.1.1 等扬程设计法确定泵的几何参数

4.1.2 不等扬程设计法确定泵的几何参数

4.2 叶轮蜗壳三维造型及网格生成

4.3 离心泵内全流场数值模拟

4.3.1 边界条件

4.3.2 数学模型

4.4 数值模拟结果及分析

4.4.1 静压分布结果及分析

4.4.2 绝对速度分布结果及分析

4.4.3 相对速度分布结果及分析

4.4.4 蜗壳内4断面上速度分布结果及分析

4.4.5 叶轮出口扬程分布结果及分析

4.4.6 离心泵性能的预测

4.5 本章小结

第五章 不等扬程离心泵内部流动非定常数值模拟

5.1 数值计算模型及方法

5.2 非定常模拟结果及分析

5.2.1 叶轮旋转对静压分布的影响

5.2.2 叶轮旋转对速度分布的影响

5.2.3 叶轮旋转对总压分布的影响

5.2.4 各设计方案蜗壳不同监测点的压力脉动

5.2.5 压力系数Cp脉动的计算结果及分析

5.3 本章小结

第六章 离心泵性能试验

6.1 实验装置与测试系统

6.1.1 离心泵试验台

6.1.2 泵测试系统及附件

6.1.3 性能测试具体操作

6.1.4外特性试验

6.2 数值模拟与试验的对比

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 不等扬程离心泵水力设计的工程应用

7.1 在双叶片离心式污水泵领域的工程应用

7.1.1 问题的提出

7.1.2 水力设计思路

7.1.3 工程应用效果

7.2 在自来水厂取水泵中的应用

7.2.1 问题提出

7.2.2 取水泵性能及工程应用效果

7.3 在核电站冷却水循环泵中的应用

7.3.1 问题的提出

7.3.2 水力模型泵制造

7.3.3 核电站冷却水循环泵模型试验验证

7.3.4 试验结论

7.3.5 工程应用前景

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 研究总结

8.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间的主要科研成果