（流体机械及工程专业论文）多级中开式离心泵的设计与数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 多级中开式离心泵是近几年发展起来的一种新型结构形式，具有流量大、扬程高、功 率大的特点，主要应用在机电排灌、石油化工、船舶工业、建筑施工等大型场合。近年来 随着计算机技术的发展，离心泵的研究取得了一些理论成果，但由于多级中开式离心泵内 部结构复杂、流道扭曲严重，对泵整流场进行数值模拟及分析内部流动规律的研究相对较 少。因此对多级泵整流场进行研究，分析影响泵性能的因素、改进结构，以提高效率、降 低能耗，也已成为当前研究的重点。 本文从多级中开式离心泵的发展及研究现状出发，针对设计方法、内部流场和泵轴可 靠性进行较为系统的分析，主要内容和结论如下： 1 简单介绍了离心泵的发展及国内外研究现状，针对目前存在的问题进行简要分析， 明确了基本技术路线。 2 根据设计参数并参考国内外成熟泵型，确定多级中开式离心泵总体结构布置。阐 述了吸水室、叶轮、级间过水流道及末级压水室的水力设计方法及主要结构参数。 3 运用p r o e 软件，对多级中开式离心泵各部分流道进行三维建模；利用非结构网 格技术对流动区域进行了网格划分；借助f l u e n t 软件，基于n s 方程和标准k - e 湍流模型， 采用s i m p l e 算法，在设计工况下对多级中开式离心泵整流场进行数值计算。 4 分析多级中开式离心泵各级叶轮、吸水室、级间过水流道的内部流场，结果表明： 吸水室流动比较稳定，出口处存在一定的环量可以避免旋涡产生，流入叶轮的速度也相对 均匀；各级叶轮叶片的工作面及背面的相对速度和静压分布均为沿径向逐渐增大，符合叶 片工作原理；首级叶轮进口出现负压与实际易发生空化的区域相符；流体沿级间过水流道 流动，在过桥后段的导流叶片处产生回流及旋涡，造成一定能量损失。 5 针对导流叶片附近产生回流及旋涡，本文在原始设计的基础上，通过改变导流叶 片的形状及位置，提出三种不同的改进方案。分别对改进方案进行数值模拟，通过积分计 算出四种不同级间过水流道的能量损失值，对比分析最后确定采用改进方案二。 6 在不同工况下，对改进后的多级泵整流场进行稳态数值模拟，对比分析小流量、 大流量及设计工况时叶轮内流动状况，得出设计工况下满足多级泵性能要求；在稳态收敛 的基础上进行瞬态模拟，分析叶轮转动不同角度时内部流动规律；运用w o r k b e n c h 对泵 轴振动特性进行模态分析，经检验泵轴设计合理、运行可靠；最后通过实验检验泵的性能， 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 结果显示该泵设计合理，模拟符合要求。 关键词：多级中开式离心泵，设计，数值模拟，叶轮，导流叶片，性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i s t a g es p l i tc a s i n gc e n t r i f u g a lp u m p ，an e w l yd e v e l o p e ds t r u c t u r ei nr e c e n ty e a r s ，h a s m a n ya d v a n t a g e so fb i gf l o w , h i 曲p u m p i n gh e a da n dl a r g ee f f i c i e n c y t h en e wt y p eo fp u m pi s m a i n l ya p p l i e d i ne l e c t r o m e c h a n i c a li r r i g a t i o n ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , m a r i n ei n d u s t 巧, c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , e t c r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c ho fc e n t r i f u g a lp u m ph a sg a i n e ds o m et h e o r e t i c a la c h i e v e m e n t s h o w e v e r , d u et ot h e c o m p l e x i t yo fi n n e rs t r u c t u r ei nm u l t i s t a g es p l i tc a s i n gc e n t r i f u g a lp u m pa sw e l la ss e r i o u s l y d i s t o r t e df l o wp a s s a g e s ，t h e r ea r er e l a t i v e l yl e s sr e s e a r c ho nt h ew h o l ef l o wf i e l do ft h ep u m p b yn u m e r i c a la n a l y s i s c o n s e q u e n t l y ，t h ep r e s e n ts t u d yi sf o c u s e do na n a l y s i so ff u n c t i o n a l l y a f f e c t i n gf a c t o r sa n d s t r u c t u r a li m p r o v m e n t b yn u m e r i c a l l ys i m u l a t i n gw h o l ef i e l do f m u l t i s t a g e p u m p ，a m i n ga ti n c r e a s i n ge f f i c i e n c ya n dd e c r e a s i n ge n e r g yr e q u i r e m e n t f r o mt h ea s p e c t so fs t a t e o f - t h e a r ta n dr e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i s t a g es p l i tc a s i n g c e n t r i f u g a lp u m p ，ar e l a t i v e l ys y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o nw a sm a d eo nd e s i g nm e t h o d , i n n e rf l o w f i e l da n dp u m ps h a f tr e l i a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s sa n dr e s e a r c hs t a t u so fc e n t r i f u g a lp u m pw e r ep r e s e n t e da n d p r o b l e m se x i s t i n gi nt h ef i e l dw e r eb r i e f l ya n a l y z e d b o t ht h eb a s i cr e s e a r c hr o u t ea n dt h e g e n e r a ls t r u c t u r ea r r a yo fm u l t i s t a g es p l i tc a s i n gc e n t r i f u g a lp u m pw e r ed e t e r m i n e d 2 t h ep a p e ra l s oe l u c i d a t e dd e s i g nm e t h o d sa n dm a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs u c t i o n c h a m b e r i m p e l l e r , i n t e r s t a g ew a t e rp a s s a g ea n dt h ef i n a ld e l i v e r yc h a m b e r 3 p r o es o f t w a r ew a su s e dt om a k e3 dm o d e l sf o re a c hp a r t i a lf l o wp a s s a g e sa n df l o w r e g i o nw a ss h a p e dm e s h w i t hu n s t r u c t u r e d 鲥dt e c h n o l o g y w i t ht h ea i do ff l u e n ts o f t w a r ea n d o nt h eb a s i so fn - se q u a t i o na n ds t a n d a r dk 一t u r b u l e n c em o d e l ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f t h ew h o l ef l o wf i e l dw a sm a d eu s i n gs i m p l ea l g o r i t h mu n d e rd e s i g nc o n d i t i o n s 4 t h ea n a l y s i so fi n n e rf l o wp a s s a g e ，i m p e l l e r sa ta l ll e v e l s ，s u c t i o nc h a m b e ra n d i n t e r s t a g ew a t e rp a s s a g er e v e a l e dt h a t ：s u c t i o nc h a m b e rh a ss t e a d yf l o w , c e r t a i nc i r c l e sa v o i d i n g v o r t e xg e n e r a t i o n ，a n de v e nf l o ws p e e da ti m p e l l e r s ；n e g a t i v ep r e s s u r eo c c u r r e da tt h ee n t r a n c e o fi m p e l l e r , w h e r ec a v i t a t i o nm a yt a k ep l a c e ；b o t l lt h er e l a t i v es p e e da n ds t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u t i o no fw o r k i n gf a c ea n dt h eb a c ks i d eo fi m p e l l e r sa ta l ll e v e l sh a v ep r o g r e s s i v e e n l a r g e m e n ti nr a d i a ld i r e c t i o n ；f l u i df l o w st h r o u g hi n t e r s t a g ew a t e rp a s s a g e sa n dp r o d u c e s m 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 1 。、t v o r t e xa n dc i r c u m f l u e n c ea tg u i d ev a n e 5 r e g a r d i n gl a r g ee n e r g yl o s sr e s u l t i n gf r o mv o r t e xa n dc i r c u m f l u e n c eo c c u r r i n ga tg u i d e v a n e ，t h r e ed i f f e r e n td e s i g n so fc h a n g i n gt h es h a p ea n dp o s i t i o no fg u i d ev a n e ，b a s e do nt h e o r i g i n a lv e r s i o n ，w e r ep r o p o s e d u l t i m a t e l y , d e s i g n2w a sa d o p t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d c a l c u l a t i n gt h ee n e r g yl o s sa ti n t e r s t a g ew a t e rp a s s a g e s 6 u n d e rd i f f e r e n tw o r d i n gc o n d i t i o n s ；s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sm a d eo nt h e w h o l ef l o wf i e l do fi m p r o v e dm u l t i s t a g ep u m p t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ff l o ws t a t e si n i m p e l l e r su n d e rs m a l lf l o wr a t e ，b i gf l o wr a t ea n dd e s i g nc o n d i t i o n sd e m o n s t r a t e dt h ed e s i g n e d m u l t i s t a g ep u m ph a s t h e b e s tf u n c t i o n s t r a n s i e n ts i m u l a t i o nw a su s e dt oa n a l y z ef l o w c h a r a c t e r i s t i c si ni m p e l l e r sw h e nr o t a t i n gi nv a r i o u sa n g l e s t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p u m ps h a f tw e r ea n a l y z e db yw o r k b e n c h ，p r o v i n gar e a s o n a b l es h a f td e s i g na n dr e l i a b l e o p e r a t i o no fm u l t i s t a g es p l i tc a s i n gc e n t r i f u g a lp u m p t h ef i n a lp a r tw a se x a m i n i n gp u m p f u n c t i o n sb ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：m u l t i s t a g es p l i tc a s i n gc e n t r i f u g a lp u m p ，d e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i m p e l l e r , g u i d ev a n e ，f u n c i t o n i v 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 一一 q ：实型泵流量，肋 h ：实型泵扬程，m 即：实型泵转速，r r a i n d ：实型泵叶轮直径，m m p ：输入功率，k w 见：泵出口直径，m m k ：泵进口流速，m l s r l ：效率 吃：轮毂直径，m m z ：叶片数 压：叶片出口安放角，4 a ，：叶轮进口面积，m 2 魄：蜗壳进口宽度，m m ：隔舌螺旋角，。 ：排出管直径，m m 哌：湍动能对应的普朗特数，盱1 0 s k ，& ：用户定义的源项 q ：由于速度梯度引起的应力源项 g b ：于浮力引起的湍动能的产生项 吼：容积效率 p ：清水介质密度，取9 = 1 0 0 0k g m 3 符号表 q 卅：模型泵流量，m 3 h 以：模型泵扬程，m ：模型泵转速，r r a i n 见：模型泵叶轮直径，m m 见：计算功率，k w 皿：多级泵单侧吸入口直径，历脚 m 。：扭矩，n m 【r 】：材料的许用应力，p 口 乞：叶轮出口宽度，m m 属：叶片进口角，。 v j ：叶轮进口流速，m s 见：压水室基圆直径；m m ：隔舌安放角，。 见：扩散管进口当量直径，m m 缈：旋转角速度，r r a i n ：耗散率对应的普朗特数，忙1 3 胁：湍流涡粘性系数 c ：湍流模型常数 ：机械效率 e l 泵的有效功率，k w 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 1 1 1 研究背景 泵是一种应用相当广泛的流体机械。据统计，每年我国泵的耗电量约占全国发电量的 2 0 ，耗油量也相当可观【。其中离心泵在泵产品中所占份额达到一半以上，耗电量占总 发电量的1 0 以上，而离心泵的整机运行效率只有5 0 6 0 ，比国外低1 0 - - 3 0 ，节 电潜力约为3 0 0 1 0 0 亿千瓦时1 2 3 1 。因此在满足设计工况下，提高离心泵效率、降低能耗 成为当前迫切需要解决的现实问题。 多级离心泵是离心泵的一种，具有高扬程、大流量、大功率的特点，主要应用在机电 排灌、石油化工、船舶工业、建筑施工等大型场合。随着国民经济的快速发展、自然条件 的逐渐恶化及水资源的短缺，各个行业对高效率、低能耗、空蚀性能良好的多级泵需求逐 年增多。而多级泵作为用量大、应用面广、能耗高的设备，近年来也一直是节能改造的主 要对象。 随着国民经济的发展对泵的研究和制造提出了新的课题，也给它的设计和制造带来很 多困难。首先，对离心泵性能要求在诸多方面日益提高，如：南水北调采用单机泵往往满中 足不了大流量的需求；矿井排水泵、水力发电锅炉给水泵、油井注水泵等也都希望有尽可 能高的效率及扬程，因此需要更多品种及规格的离心泵。其次，石油化工、建筑施工及环 保等行业输送介质广泛，同时由于使用环境各异，对离心泵的材料、结构及尺寸也提出了 新的要求。 多级离心泵结构复杂，设计时考虑的因素较多。如与泵内流动相关的水力参数及热力 参数；多级离心泵各过流部件形状和大小的几何参数；流道上下级之间的水力参数等。要 处理好这些关系，设计过程需要多次反复，难度较大。近半个世纪以来，计算机、高速摄 影和激光技术的飞速发展为离心泵的理论研究、实验研究和设计制造创造了良好的条件。 以计算流体力学为基础的c f d 技术被广泛用于模拟离心泵内部流动，可以直观的显示内 部流场的规律，在较短时间内预测泵的性能，并通过改变各种参数达到设计效果。因此， c f d 技术不仅揭示了流体机械内部流场特性、缩短产品研发周期及提高性能的有效手段， 目前成为流体机械c a d 辅助设计的一个新的发展方向【4 l 。 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 1 1 2 研究目的及意义 本文研究对象为多级中开式离心泵，设计时首要考虑的是：效率、性能曲线及汽蚀。 效率是最受人们重视的表观指标，特别是在能源紧张时期，但不能作为设计优秀的唯一指 标，仅在设计点处“节能，高效范围不宽，性能曲线的形状也不令人满意。设计时考虑 了偏离设计工况的修正，以适应较宽的性能范围。 本课题以c f d 技术作为主要手段，利用f l u e n t 流体计算软件及a n s y s 有限元软件， 模拟多级离心泵内部复杂的流动现象。深入研究多级泵内部流场的细微变化及能量损失机 理，分析泵内部复杂的流场结构及流动规律，掌握湍流脉动诱发的水力稳定性问题。通过 修改泵内部结构来提高效率、改善性能及提高运行可靠性。 泵内部流体运动时，应力应变率复杂，压力梯度在不同方向也有所不同，同时由于动 静部件间的相互干涉及表面曲率等作用，内部流动常伴有二次流、间隙流、尾迹及流道中 的漩涡，属于复杂的三维湍流运动。因此，利用数值模拟深入研究离心泵内部流动机理， 探求新的设计方法，满足生产发展对多级泵设计的新要求。此外通过对多级离心泵结构优 化来提高效率、节约能源，对国家能源战略计划具有重大而深远的意义。 1 2 离心泵的研究现状 1 2 1 离心泵设计方法的研究 5 1 、“1 。 长期以来，离心泵主要研究：如何设计才满足结构合理、选材适当及如何提高水力性 能。离心泵设计主要是根据给定的设计参数( 流量、扬程、转速、效率及汽蚀余量等) ， 通过多种方案优化选择，在满足必要汽蚀性能条件下，所设计的泵体与叶轮水力损失较小， 并使泵的外特性符合设计要求旧。 纽曼1 9 9 1 年著写的离心泵几何形状与性能的相互关系一书，从泵内流动损失出 发找出水力参数与性能参数和水力参数与过流部件几何参数之间的关系，设计中综合考虑 离心泵的效率及可靠性，使离心泵的设计方法在计算机基础上有了根本的改变。目前，多 级离心泵设计方法仍然是基于一元理论、e u l e r 理论及流动相似理论，而丰富的经验和资 料是设计成败的关键川。 1 相似设计法 相似设计法又称模型换算法，此方法简单可靠，应用广泛。其原理是选择一台比转速 相同的模型泵，利用相似定律进行换算的设计方法。对于完全相似的泵来说，比转速n 。相 2 江苏大学硕士学位论文 等。在相似工况下，若假定实型泵和模型泵的效率相等，则按照相似原理求得换算系数： 名= 瓦d = 鱼蚤2 n 船r n r l 薏h 。 巩 、绒船、j 。 式中，d ，见一分别为实型泵和模型泵的叶轮直径，m m ； 力，一分别为实型泵和模型泵的泵轴转速，r m i n ； q ，q 历一分别为实型泵和模型泵的流量，m 3 h ； 日，以一分别为实型泵和模型泵的扬程，m 。 一般来说，系数五越接近1 ，此换算方法越精确。换算后根据设计者的经验对叶轮进 口、叶片出口角、叶片数及喉部面积等几何参数进行适当修正，以克服模型换算法难以提 高泵性能上的不足。 选择模型泵，利用相似定律扩大或缩小为实型泵，并换算出相应的性能曲线，需要有 一个型号丰富的水力模型库。 2 设计系数法 设计系数法实质也是一种相似设计法，不同的是它以一系列相似泵为基础，而模型换 算法是以一台模型泵为基础。该方法以现有性能较好的产品为基础，统计出各种流速的速 度系数图。设计时按厅。选取速度系数，作为水力设计尺寸的依据。主要设计系数有 s t e p a n o f f 速度图【8 】或在此基础上改进的速度图。此方法受现有模型和速度系数的限制，与 相似换算法一样也具有适用范围的局限性。 3 面积比原理 英国著名泵专家a n d e r s o n 首先提出了离心泵面积比原理，即叶轮出口过流面积与泵 体喉部面积之比是泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决定因素。1 9 6 3 年w o r s t e r 首次用 数学方法证明了该原理的科学性。 我国对面积比原理的研究始于2 0 世纪8 0 年代，袁寿其等对此理论进行了理论和实验 研究，主要是用面积比绘制扬程系数和流量系数的形式来修正标准化的设计数据。该方法 从整体上把叶轮和泵体两大水力部件联系在一起，为以后的发展和研究打下基础。 4 自由涡旋理论 1 9 6 3 年，美国专家w o r s t e r 根据流出叶轮的流体符合自由旋涡理论，首次成功提出决 定泵性能的叶轮与泵体之间的数学关系。该理论与s t e p a n o f f 经验数据和面积比原理相符 3 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 合。自由旋涡理论的推导基于经典e u l e r 方程，假设进口无旋零流量时的无因次扬程，推 得叶轮方程。此外他还假设流入泵体的速度与叶轮出口处的绝对速度一致，推得泵体方程。 虽然推导过程基于较多假设，但从理论上用数学形式把叶轮与泵体的相互关系联系在一 起。 5 优化设计 随着经济的发展及科技的进步，许多行业对多级离心泵的要求也越来越高，如高效率、 无驼峰、无过载等。从经济角度考虑，性能优越的泵工作效能较高，日常维护相对简单， 更容易达到“低投入、高产出 的目标。优化设计是结合传统设计方法、c f d 技术及实 验相结合的基础上更加优越的设计方法，是设计人员最为关注的问题，也是实现泵优良性 能的主要措施。 1 2 2 离心泵流场数值模拟的研究现状 传统泵在研制过程中，往往需要对水力模型反复试验和修改，存在周期长、工作量大、 成本高等缺点。早在2 0 世纪5 0 年代，国内外一些学者就开始尝试利用数值计算方法来预 测叶轮机械中的流动情况。随着计算机硬件、软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟， 出现了基于流动理论的商用c f d 软件，该软件使许多不擅长c f d 的其他专业研究人员能 够轻松地进行流动数值计算，为解决实际工程问题提供有利条件。 对离心泵性能问题研究时，传统的理论计算在解决复杂工程实际问题中，除了少数流 动，几乎不能得到解析解，大大限制了其运用的范围。实验研究虽然得到的结果能够直接 反应物理现象，但实验往往受到模型尺寸、测量精度、人身安全、实验经费和周期等限制。 而c f d 软件的应用可以克服上述缺点，通过c f d 软件的计算得到的数值解，不会受实验条 件的限制，能够很好的指导实验研究，而且还可以模拟实验中只能接近而无法达到的理想 条件。 目前多级离心泵性能预测主要有：损失模型法及纯数值模拟两种方法。 1 损失模型法 该方法是对流场作一定的假设、简化，分析各部分水力损失的物理本质及影响因素， 寻求水力损失与结构参数的关系，建立损失计算模型【9 】。针对多级离心泵是将叶轮、吸水 室、压水室、导叶等损失进行分析，再利用泵的基本方程求得性能曲线。 对离心泵性能主要围绕圆盘摩擦损失、容积损失及水力损失进行研究的。最初计算方 法是运用一元流动理论分析，结合实验进行修正。在水力损失研究中，常用方法是圆管模 4 江苏大学硕士学位论文 拟法【1 0 l 和由英国n e l 提出的流道中线法【1 1 1 。n a k a s e 和s e n o o 针对叶轮内部流动提出准三 维流分析法，但是随着流量的减小数值计算易发散，为解决这一问题j k u r o k a w 提出 叶轮进v i 回流模型1 1 2 1 。对泵内容积损失计算可以采用等效圆管的方法，该方法仅限于圆 环形截面最大直径至少大于最小直径的3 倍。另外，于毂珍通过实验的方法，获得r e - - 旯 曲线后通过迭代计算泄漏量【1 3 1 。 模型损失法在离心泵性能预测中得到广泛运用，但也存在一定缺陷。该方法采用的公 式多为半经验、半理论公式，通过简化模型运用一元或者二元理论对离心泵性能进行分析， 无法实现三维流场的模拟，且不能准确的分析损失产生的位置及大小，计算准确性较低。 为了克服这一缺点，国内外很多学者把研究重点放在计算机数值模拟上。 2 纯数值模拟法 随着计算机性能的发展，数值模拟已经成为离心泵内部流动研究的主要方法之一，同 时因为离心泵内流场实验难于测量，也促使内部流场模拟技术的发展。 国外学者从2 0 世纪5 0 年代就开始利用计算机模拟离心泵内部流动并取得一定成果。 如不同压力下离心泵会产生不稳定压力脉冲，r s p e n c e 通过数值模拟计算出最大脉动量 1 4 1 ；针对离心泵三种不同径向间隙，a d n a no z t u r k 提出2 0 径向间隙下压力波动符合要 求【1 5 】；j d h k e l d e r l l 6 1 、b e m v a ne s c h 1 7 1 将叶轮蜗壳耦合，计算不同流量下的压力速度分 布规律并与实验值进行对比，结果显示模拟值与实验值接近；d a n i e lb a u n 1 8 】通过实验与 数值模拟相结合的手段，详细分析了不同流量下叶轮出口圆周方向上的静压分布、叶轮不 同截面速度分布及叶片表面应力分布。 近二千年来，国内学者才将c f d 技术应用于离心泵设计改造方面的研究，如潘中永， 曹英杰通过数值模拟，得出三维流场随流体粘度的变化规律及不同粘度对离心泵外特性的 影响【1 9 1 ；张铮通过离心泵内部流场数值模拟，指出离心泵内部存在二次流及漩涡等不良 流动现象【刎；丁思云、杨博峰模拟不同叶片数的螺旋离心泵，得出叶片数对叶轮内速度 影响不大，对蜗壳内速度及压力影响明显【2 1 l ；赵力勇、张亮等运用c f d 软件模拟双吸离 心泵内部流场，得出不同工况下叶轮出口与蜗壳耦合面的静压沿轴向及周向的分布规律 【2 2 1 ；邵春雷、顾伯勤等采用滑移网格技术，对设计工况下离心泵非定常流动进行数值模 拟，指出离心泵叶轮进口压力波动大，非定常特征比较明显，因而对离心泵性能的实现影 响较大，该研究对降低振动及汽蚀提供指导【2 3 l ；张淑佳等利用三种不同湍流模型，针对 不同叶轮角度下离心泵进行数值模拟，得到湍流模型对离心泵的适用性1 2 4 1 。 文献中多数以单机泵为研究对象，多级泵研究相对较少。本文以多级离心泵为研究对 5 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 象，由于多级泵过水部件较多结构复杂，设计需同时考虑与泵内流动相关的水力参数及各 部件之问形状及匹配关系。结合前人对单机泵研究基础上，对多级泵整流场进行数值模拟， 预测泵的性能及影响因素，通过对结构进行改进来改善性能以满足高效率的目的。 1 2 3 泵轴可靠性分析的研究现状 泵轴是泵传递扭矩的关键零件之一，其工作性能好坏直接关系到泵运行的可靠性。近 2 0 年来，由于计算机和计算技术的发展，对主轴的静、动力学研究进入了新的阶段，各种 计算机分析方法相继问世，如古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、结构修正法和 有限单元法等【2 5 2 9 1 。 例如在国外，1 9 9 2 年，s p u r g 等利用结构修正法分析了切削机床主轴的静态和动态性 能，但只是考虑了轴的径向的一个自由度，并且忽略了轴向、力矩方向的自由度【删；1 9 9 7 年，美国普渡大学的b e n r j o r g e n s e n 和y u n g c s h i n 推出了个离散的主轴动态模型，这一 模型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形的较好的计算值【3 1 1 。 国内从事该领域研究的也很多，2 0 0 1 年，杨曼云等利用m s c n a s t r a n 软件对t h 6 3 5 0 卧 式加工中心的主轴系统进行了静、动态特性分析f 3 2 】；齐学义、王岩等人针对某企业引进的 国外多级高压烃泵主轴发生断裂事故，结合该轴材料和断口形貌，运用机械可靠性设计原 理和方法进行了计算和分析，结果表明，该泵选型扬程过高使泵轴综合工作应力加大，存 在局部应力集中，加之氯离子的腐蚀，因而轴的可靠性较低，导致发生疲劳失效而断裂【3 3 1 ； 2 0 0 7 年，江苏大学的施卫东、李潜等人在建立污水泵轴有限元力学模型的基础上，先通过 a n s y s 静力分析找出轴上所有危险点，再进行a n s y s 瞬态动力学分析找出最危险点，最 后用半径向量法计算出该污水泵泵轴的可靠度 3 4 1 ；2 0 0 8 年大庆油田的张桂娟采用三维实体 模型有限元方法计算潜油泵轴强度，结果表明应力较大点主要集中在泵轴的花键部位【3 5 】。 主轴的可靠性直接影响泵的安全、可靠的运行，因此对泵轴特性的研究显得尤为必要。 1 3 本文研究的主要内容 本课题以多级中开式离心泵为研究对象，主要研究内容如下： 1 ) 多级离心泵设计研究 多级中开式离心泵是近几年来兴起的一种新型泵，具有流量大、扬程高、功率大的特 点，应用也日益广泛。随着泵行业的发展，对泵的总体性能要求也逐渐提高。本文根据设 计参数并结合国内外成熟泵型，分析过流部件间的匹配关系及几何参数对多级泵性能的影 响，在传统设计基础上结合c f d 技术对结构参数作相应的调整，设计一台满足性能要求 6 江苏大学硕士学位论文 的多级中开式离心泵。 2 ) 数值模拟研究 不同湍流模型及对流项差分格式对计算精度、计算效率以及适应性方面有着差别。本 文以多级中开式离心泵内部三维湍流流动为研究对象，综合考虑选取标准肛s 模型。在不 同工况下对多级泵内流场进行数值计算，全面分析多级离心泵全流场下的内部流动特性， 预测泵的性能及影响效率和稳定性的因素。 3 ) 结构的改进 本文对多级离心泵内部整流场进行数值模拟，分析流场的特性及各过流部件内部流动 规律，预测泵的性能及影响效率和稳定性的因素。模拟结果显示导流叶片附近出现回流现 象，造成较大的能量损失。因此在原始设计基础上，通过修改导流叶片的形状及位置，提 出三种不同的改进方案，对比分析四种方案，选择性能最优的一种，达到改善内部流态、 减小或消除旋涡区的目的。 。j 4 ) 多级离心泵全流场数值模拟 不同工况下对多级泵整流场进行数值计算，全面预测泵的性能并结合实验对比分析， 结果显示设计符合要求。多级离心泵内部结构复杂、过流部件多。首先用冻结转动部件法 得到动静各部件耦合流动的定常收敛解，再作为非定常数值模拟的初始条件，采用滑移界 面模式进行非定常数值模拟。分析各部分的相互作用，研究动静干涉效应下多级离心泵内 薯 非定常流动的流动形式，损失结构的演变过程和变化规律。 5 ) 泵轴可靠性检验 多级泵叶轮数多势必造成主轴较长，影响轴的可靠性并直接关系泵运行的稳定性。 本文通过模态分析确定该泵轴的振动特性，即结构的固有频率和振型，结果显示泵轴发生 共振的可能性非常小，符合设计要求。 7 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 第二章多级中开式离心泵的水力设计及实体建模 2 1 泵的总体设计 多级离心泵指装有两个或两个以上叶轮的离心泵。因这种泵叶轮数多，结构比单级泵 复杂，设计时综合考虑各种影响因素并尽量满足：设计参数的要求，即达到所需流量、扬 程等；良好的能量性能，即有较高的水力效率且高效区尽量宽；良好的空化和空蚀性能， 减少空化引起的效率下降；良好的稳定性、压力脉动及较低噪声值；尽可能小的尺寸，以 降低产品造价；满足制造安装等工艺的要求。 多级离心泵水力设计主要解决三方面问题：过流部件的主要参数及各部分最佳比例； 流型设计，确定水力设计过程中所选定的过流部件的流动规律；叶轮叶片及流道的线形设 计，提供过流部件的加工木模图p q 。 本文设计参数：流量q = 1 6 m 3 s ，扬程h = 2 2 5 m ，效率7 7 = 8 5 ，输送介质为水， 略含杂质。所设计的泵需满足大流量、高扬程及高效率的要求。而流量较大时叶轮易发生 汽蚀，初步考虑选用双吸叶轮。参照比转速与泵最高效率曲线图，若采用单级双吸叶轮， 计算比转速为以。= 5 6 ，泵在该比转速下运行效率较低达不到设计要求，因此应选用多级 一、叶轮。 t 一 , 4 0 m a m m l 2 上 _ 一-一 = ： 、 一皇 一 一一 、j l - 一 、rn 【：、卜、 、 弋| 、，i 、 _ 一一 l c j 、k r ：兰裂，瓜髓 7 、。i 【n y i 咖 一 i l3 r - 一、l 、 z 叫射：n m m 一一 厨。正冲角为= 层一屏，取值范围为 = 3 9 1 5 。，采用正冲角能提高抗汽蚀性能，并且对效率影响不大。算出各流线的液流 角加上冲角得到相应的叶片进口角层，但是要确定叶片的角度首先计算液流角，这需要 用到叶片角以便计算排挤系数。所以先假定屈或排挤系数，用逐次逼近的方法来确定屈的 值。 6 叶片出口安放角压 叶片出口安放角也是泵的重要几何参数之一，对性能影响很大。在相同流量工况下， 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 随着岛增大扬程增加。因为出口安放角增大后，圆周方向的分速度增大，一定范围内 扬程提高，原理如图2 3 所示。 7 心弋自j ；，j 、 l 一 一 以 l 一 一 ，r i 图2 3 扬程与出口安放角之间的关系 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a da n do u t l e ta n g l e 出口安放角取值范围为：1 5 。4 0 0 ，根据国内外研究结果表明：比转速中等的离心泵 叶片出口安放角取2 7 0 左右。 根据以上计算得到叶轮的主要尺寸如下，其中图2 4 为首级叶轮主要参数。 图2 4 首级叶轮主要尺寸 f i g 2 4t h em a i nd i m e n s i o n so ft h ef i r s ti m p e l l e r 图2 5 次级叶轮轴面投影图，与图2 4 两者之间主要尺寸相同，仅在安装在轮毂的叶 轮轴径处次级叶轮的尺寸略大一些，其目的是要确保合理组装。 图2 5 次级叶轮主要尺寸 f i g 2 5t h e m a i nd i m e n s i o n so ft h es e c o n di m p e l l e r 江苏大学硕士学位论文 图2 6 为双吸叶轮轴面投影图，其结构是两个背靠背的叶轮组成。双吸叶轮左右对称， 可以平衡轴向力，在相同扬程下其流量可增大一倍。其主要尺寸与单级叶轮相同，为提高 主轴强度叶轮在与主轴配合处的直径略大于前一级。 对量 9 激 逝世 ， l z 1 笛 - 釜莹蓉 n * “ j 一 。h “ 妇 j _ 烈萝不 厂 硼作 图2 6 双吸叶轮主要尺寸 f i g 2 6t h em a i nd i m e n s i o n so fd o u b l e - s u c t i o ni m p e l l e r 根据多级中开式离心泵结构的对称性，所设计各级叶轮的叶片相同，木模图如图2 7 所示。 x ， ， 】c 蓬 ：蔓 萝 - 电t j -柚 、 a y 。a 蓬 、 j i l 图2 7 叶轮轴面截线和叶片剪裁图 f i g 2 7t h ea x i a lp l a n es e r i fa n dc u tc h a r to ft h ei m p e l l e r 2 4 吸水室的水力设计 3 8 1 2 4 1 吸水室概述 吸水室是指泵进口法兰到叶轮进口的过流部分，其作用是把液体按要求的条件引入叶 轮的吸入口。吸水室中速度较小，水力损失也相对较小，但是吸水室中的流动状态直接影 响叶轮的流动状况，对泵的效率也有一定影响，尤其是对泵的汽蚀性能。因而设计时应满 多级中开式离心泵的设计与数值模拟 足：液体流过吸水室时，水力损失要尽量减小；液体从吸水室流入叶轮时流速是均匀的轴 对称的p 9 。常见吸水室主要有三种： 1 直锥形吸水室：结构简单、性能优良。液体在直锥形收缩管中流动，流速渐增，分布 均匀，水力损失小，保证叶轮进口有均匀的速度场。由于结构限制，该结构多用于单级悬 臂式泵。 2 环形吸水室：形状和断面面积相同的吸水室，结构简单，但不能保证叶轮进口具有轴 对称均匀的速度场，常用于杂质泵及节段式多级泵。 3 半螺旋形吸水室：断面是从大n 4 , 逐渐变化的，外壁是螺旋形，与环形吸水室相比， 有利于改善流动条件，能保证叶轮进口得到均匀的速度场。常用于单级双吸泵、水平中开 式泵、大型节段式多级泵及某些单级悬臂泵等。本文研究对象为多级中开式离心泵，故选 用半螺旋形吸水室。 2 4 2 半螺旋形吸水室水力设计 液体的流速从泵的入口到叶轮喉部是逐渐增加的，并以此来确定半螺旋吸水室断面面 积。目前半螺旋形吸水室设计方法仍然是一种理论和实践经验相结合的方法，设计时要保 证各断面之间流道圆滑、面积均匀变化，需对各断面面积的大小和形状反复修改【柏1 。一般 在与水平线成4 5 。处设置稳定液流的隔舌，并以隔舌处为1 断面，设计步骤如下。 t 弋11 确定吸入口直径 多级泵离心泵单侧吸入口直径为职= 6 0 0 r a m 。 2 确定1 - 6 断面的液体平均流速，速度公式如下： ，= ( 0 7 0 8 5 ) 1 ，f ( 2 1 1 ) 吩= 西a ( 2 1 2 ) 式中， ，f 一叶轮进口流速，m s ； a ；一叶轮进口面积，m 2 。 3 确定1 - 6 断面面积 泵由两段吸入，所以单侧流量为总流量的一半。通过第5 断面的流量为总流量的四分 之一。先确定第5 断面的面积，计算公式如下： e ：旦( 2 1 3 ) 。 4 ， 江苏大学硕士学位论文 其它断面与第5 断面成比例变化，计算公式如下： 磊= 詈e ；弓= 詈磊 e = 詈e ；乃= 詈e ； ；_ 8 7e ，；e = 鲁e 最= 西2f ，, ；鼻- 8 i f ，, 4 从进口到隔舌处各断面的确定 进口处断面设计暂无理论可循，主要依靠经验。从进口到隔舌处水流相对稳定，设计 时在满足流动规律的基础上，从入口到隔舌处划分为逐渐变化的六个截面。 5 绘型 参照进口直径和位置，确定1 及6 断面到进口部分的螺旋线。进口部分有一段直线及 两段相切的圆弧与1 断面相连接。与6 断面相连接的进口部分有一段直线和相切的一段圆 弧组成( 中心线凭经验画出) 。绘图时考虑泵的总体结构和流动的通顺，将进口部分分为 六个断面，所绘图形如2 8 所示。 孤心，髓弧 一 沫 逐 烈 ia 步