（水利水电工程专业论文）旋转喷射泵内部流场的研究.pdf

旋转喷射泵内部流场的研究 水利水电工程专业 研究生杜燕指导教师陈次昌 旋转喷射泵是利用皮托管原理研制的小流量高扬程泵，属结构特殊的 新型极低比转数泵。该泵在小流量、高扬程工况下比多级泵与高速泵效率 高。 本课题是从流体动力学理论基础出发，对旋转喷射泵的两个主要过流 部件一旋转腔体和集流管在变工况( 包括设计工况和非设计工况) 下的紊 流运动规律进行模拟。先运用g a m b i t 进行几何物理建模，对满足计算要求 的网格文件导入f l u e n t 中进行数值模拟。该计算以n s 方程为基础，采用 标准k 一双方程的湍流模型，通过非结构化网格的划分和滑移界面的应 用，对控制方程进行空间离散，壁面处采用标准壁面函数处理。经迭代计 算，得其内部流体的流动状况，通过其可视化对流道结构设计提供理论依 据，并对计算结果进行分析，且与试验结果进行了比较，对旋转喷射泵的 性能进行检验和分析。 利用t e c p l o t 后处理软件将计算结果可视化，并与实验结果进行对比 分析，得出以下结论：旋转喷射泵在额定转速下，即设计工况点运行时效 率最高。旋转喷射泵在小流量、高扬程工况下运行时，有着较平稳的q h 曲线，q n 曲线和较理想的q n 曲线，即具有良好的工作稳定性。转予腔 内液体能量分布情况为：转子腔中心液体能量最低，随着转子腔直径的增 大液体能量增加，转子腔内壁外缘液体能量最高。在设计工况下，集流管 内能量损失占集流管入口总能量的1 9 4 ，在非设计工况下，损失更大些， 如转速n = 3 8 7 0 r m 时为2 1 7 ，这主要是由于集流管的扩散损失造成的。腔 体内的水力损失较大，主要由于集流管形成的绕流损失，以及无蜗壳转化 转轮旋转动能所产生的水力损失所造成的。在集流管内有较大回流区。 关键词：旋转喷射泵、集流管、转予腔、数值模拟、实验 a b s t r a c t t h er o t o _ j e t p u m p i sal o wf l o wr a t ea n d h i g hp r e s s u r ep u m p b a s e do nt h e t h e o r yo fp i t o tp i p e i ti san e wt y p eo fv e r yl o ws p e c i f i cs p e e dp u m p w i t h s p e c i a lc o n f i g u r a t i o n t h ee f f i c i e n c y o fr o t o - - j e tp u m pi s h i g h e rt h a n t h e e f f i c i e n c yo fm u l t i s t a g ep u m p a n de x p r e s sp u m pw h e ni to p e r a t e si nt h er e g i o n o fl o w d i s c h a r g ea n d h i g l ll i f t b a s e do nt h eh y d r o k i n e t i ct h e o r y ，u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h e t u r b u l e n tf l o wo ff l o wa r r e s t e ra n dr o t o - - - c a v i t y , t w om a i nc o m p o n e n t so ft h e r o t o _ - e tp u m pw a ss i m u l a t e d f i r s t ，t h es o f t w a r eg a m b i tw a su s e dt oc r e a t e p h y s i c a lm o d e l a n dt h e nt h es a t i s f a c t o r ym e s h f i l e sw e r er e a di n t of l u e n tf o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sa n dt h es t a n d a r dk m o d e l ，w i t hu n s t r u c t u r e dg r i ds y s t e ma n ds l i d i n gi n t e r f a c ei sa p p l i e df o rt h e s o l u t i o no ft h ed i s c r e t i z a t i o ng o v e m i n ge q u a t i o n s s t a n d a r dw a l lf u n c t i o ni s a p p l i e df o r t h e w a l l s t h r o u g hi t e r a t i v ec o m p u t a t i o n s ，t h ei n t e r i o rf l o w i n g s t a t u s i nt h e r o t o - j e tp u l h pw a s o b t a i n e d i t sv i s u a l i z a t i o nr e s u l t sc a l ls u p p l yr e f e r e n c e s t ot h es t r u c t u r a l d e s i g n o ft h ef l o w p a s s a g e s c f da n a l y s i s r e s u l ta n d e x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt oa n a l y z ea n dt e s tt h eh y d r a u l i cd e s i g no f r o t o q e tp u m p e m p l o y i n gt e c p l o t ，t h ep o s t p r o c e s s i n gs o f t w a r e ，t of i n i s ht h es t e a d y f l u i da n a l y s i s w eg o tt h ef l o w i n gr e s u l t s ：t h e r ei st h eh i 曲e s te f f i c i e n c yw h e n r o t o - j e tp u m p r u n sw i t ht h er a t e dr o t a t i o n a lv e l o c i t y , n a m e l y , u n d e rt h ed e s i g n e d c o n d i t i o n t h e r ea r et h ef l a th e a d f l o wc u r v e ，p o w e r - f l o wc u r v e ，a n dg o o d e f f i c i e n c y f l o wc u r v ei n d i c a t i n gab e t t e ro p e r a t i n gs t a b i l i t yw h e nr o t o - j e tp u m p o p e r a t e si nt h er e g i o no fl o wd i s c h a r g ea n dh i g hl i f t t h ed i s t r i b u t i o no ft h e w a t e r e n e r g yi nt h er o t o c a v i t yi s ：l o w e s ti nt h ec e n t e ra n dg e t t i n gh i 曲e ra l o n g t h er a d i u sw i d e r , a n d r e a c h i n g t h eh i g l l e s to nt h ee d g e t h eh e a dl o s si nt h ef l o w a r r e s t e ra c c o u n t sf o r1 9 4 o ft h et o t a lh e a do ft h ef l o wa r r e s t e r i ti sm a i n l y c a u s e db yt h eh y d r a u l i cl o s so ft h ee x p e n d i n gs e c t i o no fi t t h eh e a dl o s si nt h e c a v i t yi sh i g h i ti sm a i n l yc a u s e db yt h eh y d r a u l i cl o s so ft h ec i r c u i t o u sf l o w a r o u n dt h ef l o wa r r e s t e r t h e r ei sal a r g er e g i o no fb a c kf l o wi nt h ef l o w a l l e s t e r k e yw o r d s ：r o t o j e tp u m p ，f l o wa t t e s t e r , r o t o r - c a v i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e x p e r i m e n t i i 两华大学硕士学位论文 l 前言 1 1 课题来源 四川省机械研究所 1 i2 课题研究的目的和意义 旋转喷射泵又称皮托泵，是一种工作原理和结构都很独特的极低比转 数泵。它满足小流量高扬程的使用工况。与多级离心泵和高速泵比较有不 少优点，如其结构简单；只在进口处密封，解决了高压泵普遍存在的高压 密封问题：效率比同比转数离心泵的高，流量扬程曲线平滑，且液体输出 无脉冲，很适合对流体输送要求较平稳的生产岗位。故旋转喷射泵可适用 于石油化工、液压系统、注水排水、锅炉给水、食品、造纸、矿山等多种 行业。 旋转喷射泵在国外的生产应用已比较成熟，但对其研究报道极少，除 厂产品介绍与个别报道外，几乎看不到有关该泵的研究和设计方面的文章。 而目前在国内对旋转喷射泵的研究还仅仅处于设计和使用方面的初步阶 段。旋转喷射泵叶轮不同于一般离心泵叶轮，它是一个具有轴向吸入和排 出的叶轮研究其内流场分布，对于设计一个高效、有较宽运行范围的旋 转喷射泵有实际意义但由于该泵结构的特殊性，对其内部流动进行实验 研究极其困难。近年来，计算机技术已经被广泛应用于许多复杂流场数值 计算和模拟中，随着对c f d 方法的深入研究，其可靠性、准确性和计算效 率得到了很大提高。杨军虎等【1 】进行了旋转喷射泵叶轮内的准三元流动计 算，得到了旋转喷射泵转轮内的流体运动规律。但是旋转腔体和集流管中 的流动数值模拟尚未见报道。另外，旋转喷射泵没有圆盘摩擦损失和蜗壳 水力损失，而多了转子腔和集流管的水力损失，因此，转子腔内f 集流管内、 外部流场) 流场的数值模拟对转子腔和集流管的设计研究尤为重要。本文将 c f d 软件应用于旋转喷射泵整体流场的数值模拟，并与试验结果进行了比 较，从而对全面了解旋转喷射泵内部流动做了重要的补充，同时，为完善 旋转喷射泵的设计方法积累了资料。 西华大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状【2 】 s t e v eo s b o m 3 】对旋转喷射泵的发展历史、工作原理、结构、特点、应 用等作了较全面的介绍。旋转喷射泵的结构原理是在1 9 2 3 年由f w k r o g h 提出，他把皮托管的原理推广应用于泵的设计上。故称为皮托泵。 第一台利用皮托管原理研制的泵是开式的，有许多缺陷。直到2 0 世纪 2 0 年代，人们才研制出了闭式皮托泵。第二次世界大战爆发后，德国和英 国为开发火箭和导弹开始研制旋转喷射泵。随着二战的结束，旋转喷射泵 的研究陷入低谷。直到2 0 世纪6 0 年代，人们发明了封闭转轮和封盖，这 二者组成了一个径向的旋转叶轮才使得旋转喷射泵开始发展起来，并最终 形成了当前的基于皮托管原理的旋转喷射泵模型。此时，众多的行业需要 一种可以随意调节流量和在扬程曲线上全范围工作的性能稳定的高压泵。 如在食品行业中清理系统就需要这种高压泵，而旋转喷射泵恰好可以满足 这种要求。这种清理系统在食品行业中到处可见，如肉类包装、酿造、水 果和蔬菜的罐头加工和饮料加工等。另外在造纸工业、石油化工与炼制以 及电站中都需要具有这种工作特性的泵。在此背景下，2 0 世纪6 0 年代的 美国出现了旋转喷射泵的专利，到7 0 年代，k o b e 公司生产出了第一台商 用旋转喷射泵，从此旋转喷射泵开始走向市场，逐渐被人们所接受。此后 七、八十年代在国际上出现了一段关于旋转喷射泵的专利高潮。在国外， 旋转喷射泵已具有比较令人满意的性能。 旋转喷射泵在国内的发展基本上经历了引进消化吸收开发生 产这过程。我国最早引迸旋转喷射泵是在1 9 8 7 年左右在炭黑新工艺改造 中用于原料油的输送。温州有机化工厂的新工艺炭黑生产线的原料油从喉 管进入，要求有一定的压力且流量稳定。由于原料油是富含芳烃的非润滑 性油，对设备会造成磨损。在使用三螺杆泵、高压齿轮油泵以及多级离心 泵时，寿命都非常短，低压下最长寿命仅能达到半年。在引进了美国两台 r 0 一s 2 6 6 型旋转喷射泵投入运行半年后，其运行状况仍然具有无脉动流动、 压力稳定、运转平稳、不需检修、不磨损零件的特点。1 9 8 8 年，龙兴茂等 4 对旋转喷射泵作了专题介绍，详细介绍了旋转喷射泵结构和原理，列出 了系列产品的性能范围和所用的材料，并说明了旋转喷射泵在小流量高扬 程范围内的发展前景。董长善( 5 j 也专门对美国贝克休斯公司的旋转喷射泵 2 西华大学硕士学位论文 进行了介绍，详细列出了贝克休斯公司生产的3 种旋转喷射泵的主要参数 和主要部件的材料。 1 9 8 9 年北京化工机械厂开始对旋转喷射泵进行调研和试制，1 9 9 2 年通 过化工部鉴定。其中有2 台泵在天滓炭黑厂进行了工业性考核试验，使用 良好。经过他们的实验验证表明，旋转喷射泵的扬程和功率曲线部比较平 缓，效率比商速泵要高6 一8 。 随着旋转喷射泵的成功引进，国内开始对旋转喷射泵的工作原理、结 构特点、水力设计及使用条件等进行研究，取得了一些初步成果。杨军虎 等 1 】进行了旋转喷射泵叶轮内的准三元流动计算，计算显示叶片工作面速 度先减小后增大，叶片背面速度先增大后减小。旋转喷射泵作为国内的新 泵型，在推广和使用方面还缺乏经验。针对使用中的问题，张宏1 6 】等介绍 了旋转喷射泵故障的预防和处理措施。目前，旋转喷射泵在国内主要用于 炭黑行业，在共它行业应用量还很少，主要是人们对其工作原理和结构特 点了解不多。而且，现用的旋转喷射泵大多由国外引进，国内自主开发的 新产品很少，应用量不大，应加强这方面的工作。我们相信：随着石油化 工、化学工业、印染业、冶金业等的发展，旋转喷射泵必然会得到发展和 应用。 1 4 课题的主要研究内容及技术路线 1 本课题将借助三维应用软件g a m b i t 完成旋转喷射泵转子腔、集流 管及叶轮等过流部件的绘制； 2 对该旋转喷射泵进行外特性测试； 3 应用f l u e n t 计算软件，针对旋转喷射泵转子腔内部的流场进行数 值模拟，分析结果，并将结果用t e c p l o t 后处理软件可视化。 4 根据分析结果，提出集流管等部件的改进方案，并将计算结果与实 验结果进行对比： 3 西华大学硕士学位论文 2 旋转喷射泵理论基础 2 1 旋转喷射泵的结构与原理 旋转喷射泵是一种新型石油化工泵，具有小流量、高扬程和扬程一流 量曲线非常平稳的特点其结构图如图2 1 所示液体经集流管四周、转 子盖的流道进入高速旋转的转子内，由于离心力的作用，使液体在叶轮内 获得一定的能量经轴向进入转动的腔体内，然后进入静止的集流管中由 于集流管是扩散管，它将叶轮出口液体的动能转化为压力能，成为压头很 高的液体输出【7 j 纛舷 翟 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o n o fr o t o j e tp u m p 图2 1 旋转喷射泵结构 l 、轴承箱2 、主轴3 、轴承4 、腔体5 、集流管6 、叶轮7 、机械密封8 、吸入室 2 ，1 1旋转喷射泵的结构特点 ( 1 ) 适用于小流量、高扬程( 一般在3 5 0 m 左右) 。 ( 2 ) 运动部件少，主要部件是高速旋转的转子和固定不动的集流管。 ( 3 ) 密封设计合理，仅在低压入口处装有套机械密封，而高压输出 部件由于是静止不动的，因而可以采用静密封，其密封可靠性强。 ( 4 ) 结构简单，由于上述三个特点，在相同流量和扬程情况下其结构 比往复泵、多级泵或高速泵简单，且体积也小，因而维修量小，维修费用 低、使用寿命长。 西华大学硕士学位论文 2 1 2 旋转喷射泵的性能特点 ( 1 ) 由于旋转喷射泵没有圆盘摩擦损失，叶轮出口角大( 近9 0 。) ，且 液体流出叶轮后进入转子腔，液体在转子腔中具有稳定过程。因此，有效 地避免了低比转数离心泵q h 曲线的驼峰现象。 ( 2 ) 流量特性曲线平滑，液体输送无脉动，特别是流量平稳这一点是 其它类型泵无法比拟的，很适合于对流体输送要求较平稳的生产岗位。 ( 3 ) 泵内损失通常有三部分构成，即机械损失、水力损失和容积损失。 而机械损失又包括轴承和密封损失、圆盘摩擦损失。据有关资料统计，低 比转数离心泵的圆盘摩擦损失约占泵水力功率的2 5 左右可见低比转 数离心泵提高效率的关键是降低圆盘摩擦损失。在旋转喷射泵中，由于转 予腔和叶轮随泵轴一起转动，所以不存在圆盘摩擦损失。但旋转喷射泵叶 轮是轴向吸人、排出液体，没有蜗壳来转化从叶轮中流出液体的旋转动能， 水力损失比离，| = c 泵大些。僵旋转喷射泵用于低比转数的高扬程、小流量工 况下，效率还是明显高于多级泵。文献 8 对旋转喷射泵、多级泵、高速 泵的效率进行了试验对比，得到旋转喷射泵在相同的比转数下效率高于多 级泵很多，这主要是由于多级泵圆盘摩擦损失大之故。同样，旋转喷射泵 与高速泵比较，在相同效率时，高速泵的比转数要大得多，这主要是由于 高速泵的圆盘摩擦损失和扩压损失较大。可见，在高扬程、小流量工况下， 旋转喷射泵比多级泵及高速泵有明显的效率优势。 ( 4 ) 根据旋转喷射泵结构可以分析得出，其轴向力主要由以下两部分 组成： a 转子腔内产生的轴向力p 腔 d 。2 p 腔i p l 玎5 4 ( n ) 尸1 集流管a a 断面( 见图2 1 ) 区域压力平均值( p a ) d 管集流管a a 断面直径( m ) b ，进口处产生的轴向力p 避 p 进；p 2 刚( d 2 。嵋2 彳( n ) 进 玎o 、 “4 ( n ) 尸2 叶轮进口处压力( p a ) e 西华大学硕士学位论文 d 叶轮进口直径( m ) 现分析尸腔、尸* ，由于转子腔随主轴高速旋转，其中心位置液体压力 很低，即p 1 很小，且管不大，因此，可以断定p 腔很小。再来分析尸m ， 由于叶轮进口处压力尼不大，有时甚至为负压，加之( d 2 一d 2 管) 4 值不 大( 因旋转喷射泵属于小流量泵，d 较小) ，所以，p * 也不会大。 通过以上分析得出，旋转喷射泵轴向力较小。样机实验证明，用径向 椎力轴承即可承受其轴向力。 ( 5 ) 旋转喷射泵可通过简单的改变集流管喉部直径改变其流量，通过 改变泵的转速改变其扬程。因此，便于系列化，减少泵的规格品种。 由于旋转喷射泵具有以上特点，所以被广泛应用于石油、化工、冶炼、 碳黑等行业。在我国上述行业的引进设备中旋转喷射泵并不少见。在近年 的化工设备中用旋转喷射泵替代部分高压多级泵及高速泵越来越多，随着 国内对旋转喷魁泵技术的成熟开发，旋转喷射泵在国内将会得到更加广泛 的应用。 2 2 旋转喷射泵的理论扬程1 9 】 从旋转喷射泵的工作原理知：旋转喷射泵的时轮是种轴向吸入、轴 向排出的低比转数叶轮，比转数r l 。= 5 3 0 。流体流经的部件有三个：叶 轮、转予腔和集流管在转子腔中，由于考虑的是理论扬程，即不考虑液 体的粘性，这时转子腔表面没有切向力作用于液体，液体在转子腔中不能 获得能量在集流管中，也没有力作用于液体使液体获得能量所以，旋 转喷射泵的转子腔及集流管不能使液体产生扬程，旋转喷射泵的理论扬程 就是叶轮产生的理论扬程即 日，；土h ：“：一v u ，) ( 1 ) 式中h ，理论扬程 6 “。叶轮进口圆周速度 “：叶轮出口圆周速度 ，进口绝对速度的圆周分量 6 西华大学硕士学位论文 叱：出口绝对速度的圆周分量 g 重力加速度 2 3 集流管的设计理论【9 1 1 】 2 3 i 集流管结构简介 集流管上端为一端开口的空心枣核状头、立管为空心枣核状截面扁 管，出液横管截面为圆形。集流管如图2 2 所示，三段横竖一横呈空间 9 0 度相贯，在腔体内与液体接触部分显然是为了减少绕流损失而设计了 流线形状。 f i g 2 ，2s i n g l e p i p e df l o wa r r e s t e r 图2 2 单管式集流管 f i g 2 3d o u b l e p i p e df l o wa t t e s t e r 图2 3 双管式集流管 另外，图2 3 为双管式结构的集流管。两管对称，其断面尺寸和表面 粗糙度均较大，其扩散角a 在6 。左右，其外廓断面尺寸小，表面光滑。 该种结构在满足转速和扬程相同的情况下，可比单管式旋转喷射泵的流量 大。 2 3 2 集流管主要参数的确定 a 集流管进口直径d ；的确定 集流管的扩散段的作用是将液体的速度能转化为压力能，以使被输送 液体的能量损失最小。所以研究扩散管的进口直径取值范围，对于泵的流 7 西华大学硕士学位论文 量扬程的关系尤为重要。 如前面所述，旋转喷射泵的理论扬程为： 1 t ，一土0 。：“：一 。，) s 假设液体进入叶轮前没有预旋，1 3 u ，= o ，理论扬程为： h r2 亏叱2 “2( 2 ) 在旋转喷射泵中，忽略被输送液体的粘性，则液体从叶轮出口到集流 管进口间能量守恒，液体在腔体中的圆周速度就是叶轮出口处的圆周速度 u ：，即集流管的进口速度。这样集流管进口直径d 。用下式确定： 弘2 = a t 仉 ( 3 ) 将式( 3 ) 代夫式( 2 ) 得h ，。! 塑尝( 4 ) 玎d 1 g 一 式( 4 ) 表示了集流管的特性，它和式( 2 ) 所表示的叶轮特性曲线的交点 就是旋转喷射泵的最佳工况点，也就是最高效率点。将式( 4 ) 变形即得到 集流 管进口直径与流量之间的关系： d 1 一 ( 5 ) 从式( 5 ) 知，当扬程一定时，流量大，集流管进口直径大，同样。当 流量一定时，扬程高，集流管进1 2 1 直径小。这和离心泵蜗壳情况完全一致。 b 集流管出口直径d s 的确定 集流管出口直径d 3 的计算方法参照离心泵蜗壳喉部直径的计算方法 则 小等 式中1 3 ，喉部流速 西华大学硕士学位论文 3 = k 3 4 2 9 n 其中疋速度系数 c 设计集流管外部形状考虑的因素 由于集流管在泵体中有液体绕流作用，在设计过程中，在满足制造工 艺及集流管内部面积变化的要求的前提下，应有最佳的外部形状，以满足 绕流阻力最小的要求。 在平面流场中，满足绕流损失最小的应是水动力冀型。但中空的水动 力冀型制造难度较大，尤其是在集流管几何尺寸较小的情况下更为困难。 因而一般选用图2 2 所示的流线形状也能获得比较满意的效果。 9 西华大学硕士学位论文 3 旋转喷射泵实验研究 3 1 实验目的与原理 本实验主要针对旋转喷射泵的外特性进行测试，确定流量与扬程、效 率之间的关系，并且绘制q - - h 、q n 、q n 性能特性曲线。 旋转喷射泵的性能测试是在无汽蚀的条件下，在开式实验台上进行的。 实验按转速不同分三组，各组的额定转速分别为：4 3 5 0 转分，3 8 7 0 转 分，2 9 7 0 转分。每组又分多个工况点，根据水泵的流量范围选择多个工 况点，从小到大进行试验，测量出各工况点的流量、扬程、转速、轴功率， 并将各参数换算到该组的额定转速下，从而绘制出旋转喷射泵在三种不同 额定转速下运行时的扬程、效率、轴功率与流量之间的关系曲线。 3 2 实验装置 l 、x p b3 4 0 - 1 4 型旋转喷射泵一台( 附带电动机一台) ，旋转喷射泵智能 变频控制柜一台，进排水管路各一套，出水阀门和进口抽真空阀门各 一个。 2 、真空表( y b 一1 5 0 ，0 4 级) 一只，压力表( y b 一1 5 0 ，0 4 级) 一只。 3 、涡轮流量计一套，智能流量数字显示仪一台。 4 、成套电测仪表一台( 附带两个瓦特表) 、闪光测速仪一台。 f i g 3 1e x p e r i m e n t a la s s e m b l yd i a g r a m 图3 1 实验装配简图 1 压力表 2 涡轮流量计 3 调节阀 4 旋转喷射泵 5 真空表 6 抽真空阀 x p b3 4 0 - 1 4 型旋转喷射泵主要设计参数如下： 流量q 为1 4 m 3 h ，扬程h 为3 4 0 m ，转速n 为4 3 5 0 转分。入水口直径 1 0 西华大学硕士学位论文 为5 0 m m ，出水口直径为3 0 m m 电机功率为2 7 k w 实 骝 瑗 坼 f i g 3 ，2 t h es c e n eo f e x p e r i m e n t 图3 2 实验现场 3 3 实验方法 l 、检查设备、仪器、仪表安装是否正确。连接是否可靠，转动是否灵活， 接线是否有误，供电系统是否正常，发现问题及时纠正。 2 、打开抽真空阀门，开启抽真空泵，将旋转喷射泵里的空气抽出，便于实 验充水。 3 、启动电机，观察水泵转向是否正确，设备震动是否过大，轴承温升是否 过高，仪器、仪表工作是否正常，如无异常现象，等水泵运转稳定后， 方可进行试验。 4 、调节旋转喷射泵智能变频控制柜改变电机频率，共调节三次。在每种频 率下，又按选定的工况点调节阀门，改变流量，依次从大至0 小进行试验， 每做一次流量点，等待工况稳定之后，同时从测量仪表中读出各项参数， 并纪录。 3 4 实验结果的处理及计算1 1 2 1 1 、勰+ 警+ 警 日棼z + 二三二土+ 二_ 王上 ( m ) 式中；p ，p 2 泵进、出口压力表读数( 埘p a ) 1 1 西华大学硕士学位论文 “k 泵进、出口测压点速度( m s ) z 压力表与真空表到测量基准面的垂直高度( m ) 2 、流量 从智能流量数字仪直接读数( m 3 h ) 。 3 、功率 ( 1 ) 轴功率、 用电测法读出两个瓦特表读数，再进行换算。实验时，实验转速n 如 果不等于额定转速n7 ，则将各参数换算到额定转速下，换算公式为： q ；q n _ h 。日仁) ：7 ；仁) ， ( 2 ) 式中：q 、h 、n 泵实验转速下的参数 n 闪光测速仪读数( 转分) q 、h 、n 泵额定转速下的参数 n 泵的额定转速( 转分) ( 2 ) 有效功率 畈= 昭q o o ( k w ) ( 3 ) 4 、效率 坪一惫枷。 ( 4 ) 式中：缸、螽泵额定转速下的参数 利用以上公式对实验数据进行处理，结果按额定转速n 为4 3 5 0 转 分，3 8 7 0 转分，2 9 7 0 转分分别列在以下表3 1 、3 2 、3 3 中。 】2 n-n f t -寸nn n 槲眯o t - 卜、 n寸 簌 v h t qh 、卡 p - it t t - t 5 n 。 t - nh 。0h 寸n 靼 疑 喜 o on - _ c , i 、 hn nt , t 3t q z 寸 口n。寸 - 一 c - in。 目r - , 1 幂 蚕 a目 r d 撼 一 nn西m 卜 z t q h i n n r n 导 h z o r 、 卜 o s , 一 峥 醛 s 乱 卜、o h t q 罱 焉 鼎蠼 aa。 n 寸 t qnn m n 、 ht - q 。口 罱口 r - - i non 旦 a 要 。onn no l 对 邑 na o寸卜 嚣hh t - q目 t t寸 可、r、。 案 莹 譬 o o 寸 q oo卜 v 、dt - -a 嗣 卜h m z 一n 帆 h 测 。口目 删 苣 nh nl n n o目 。乱n t - t qt q nnn 蜮 d 墨 卜 v nnn t q q - i 口l nn q 叫 s o ooo o 寸 骧 o nt t 胬 盘 寸 nm n a 一 t l nn- 删 暴 。 n n h an 援 邑 n o 寸口o 一d 一 墓誊霉暴 i n 口 h 可 d - i nn 寸 目nt qh nnnnnnn 寸寸、t寸 十、寸 釜 一h 饥 n 一 d j l地 h 寸 r 一 蚓挥 。 卜o 一 - _ 筝 ，、 l nh o 一 hn 僻寝 寸t - t q 寸卜o l 吲 雷 一 r ddn t qn 奁懈 叠 寸 口 。n目。 n 翟nnmt q n n、r v 、 磊 一o ooooo h 槲 墓 o ooooo o 州 诔o ooooo o 星 占 七 暴ot q n n、。卜 乱 nha 器 咖 邑 n口 o寸 。o 节 蠕hhhh _ 口 |【#i，jo”n寸is翔冒u笛i苗葛。臣罾丘h趾一n 3f丑苷j 剖拍苔#苫。冀节口嫌杂螫辫垲n样 能嵇掣扑刊巨扑k井田 口 hn t n 芒 一 。nt - 。om o 。 糌冰o 西n 口 nh寸 疑 一on 寸nn西 t - , ix t寸h 。 价n l n口 ahn o 。 nm 趔 横 善 o 。o_。 n h。o no n n 、 一 心。o a o on z o 卡 卜卜r 、h“ t 十ono n 嚣 萤 、中 寸nno o “ 、r卜n口卜 蜮 、 一 岔 - 一_h nnt - q z n h hh 寸 nn h 。oa d 卜 z 3 。 弋t n n 口 t qh 烈 西n n an 卜 辎 妪nn n nt - - i h 口 ， v 1 a乏on 弋f o o 。o 删 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m即柏勒如；柚。 渤掰枷兰砖钟：已。 西华大学硕士学位论文 3 5 旋转喷射泵使用中的几个问题”。 3 5 1 泄漏 旋转喷射泵是一种无泄漏泵，但很多厂家在使用中出现泄漏现象。这 主要是因为： ( 1 ) 泵的流量偏小，使机械密封受到磨损，而流量偏小的原因有两个 方面：泵入口压力过小，很多厂家因受原料储罐高度的影响而达不到要求。 另外在使用中，因受工艺要求减少原料流量时，人为的关小泵入口阀门开 度。( 2 ) 空载启动也是造成泄漏的原因之一，旋转喷别泵启动前应将泵入 口阀门全部打开，适当关小泵出口阀门，同时尽量提高储罐中油位高度。 3 5 2 集流管早期损坏 集液管早期损坏主要是由于所用原料油不符合要求导致的。旋转喷射 泵对介质的要求很严格，主要指标有：介质杂质要通过过滤，同时介质中 沥青质含量要低。否则会造成( 1 ) 机械杂质严重磨损集液管，从而导致集 液管壁变薄及枣核状出口变大，使得泵工作压力下降。( 2 ) 过多的沥青质 在泵内高速釜体的离心作用下，粘附到釜体上，不仅直接磨损集液管壁， 而且会因所粘附的肋青质不均匀而导致泵震动过大。当出现上述现象时， 应及时使泵停止工作将泵解体，清理油污或更换集液管。 3 5 3 泵的工作压力 泵的工作压力按传统思想是越低对泵越有利，这导致很多企业把泵的 压力控制在较低范围。实际上旋转喷射泵要求工作压力最好不低于额定压 力的三分之二否则也会造成泵的喘振。对泵的工作有百害而无一利。 1 7 西华大学硕士学位论文 4 旋转喷射泵内部流场数值模拟 就水泵的设计和生产而言，都必须对叶轮，机壳等主要过流部件的运 行特性进行必要的预测和评估，在这方面c f d 技术越来越显示出它的巨大 优势。采用先进的流场分析软件对设计方案进行仿真和性能预估，用数值 模拟代替模型实验，在较短的时间内就可以根据要求设计出高性能的水泵。 而我国长期以来，水泵开发研制的主要手段是根据经验，设计不同的方案， 然后对各种方案进行模型实验，根据实验结果的比较，迸一步改进方案或 确定最终设计方案。这样做其代价往往是相当高的：高昂的实验费用和模 型制造费用，烦琐的重复性劳动，大量的人力物力投入，漫长的研制周期 等，有时甚至经过多种方案实验后仍得不到满意的结果。c f d 技术的重要 性正在逐渐被认识，泵内部的流动模拟正日益成为水力机械研究人员重要 的辅助手段。本文采用的是现代流体机械专业广泛采用的f l u e n t 软件，来 实现旋转喷射泵过流通道的数值模拟及流场分析。 4 1 c f d 技术概述及应用 4 1 1 c f d 技术概述b 3 - 1 4 j c f d 的全称是讨算流体动力学( c o m p u t a t j o n a f 1 u i dd y n a m ic s ) ，其 主要用途是对流态进行数值仿真模拟计算，即利用离散方法，将微分方程 简化成代数方程式，通过计算机近似求解流体微分方程。它的解是一些小 的空间和时间上的区域上的鼹，称为离散点。c f d 技术用途非常广泛，大 到飞机、火箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场和化学反应器、发动机、 锅炉等内部反应、燃烧、传热、传质过程的仿真模拟，j j n 喷墨打印机喷 墨、人体微血管内血液流动过程的仿真模拟。在这个领域内国际上流行一 句经典的话，叫做“如果是流态的，我们就可能对它进行分析”。 c f d 方法是对流场的控制方程组用数值方法将其离散到一系列网格节 点上，并求其离散数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本规律是： 质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们可以分别导出连续 性方程、动量方程和能量方程，得到纳维尔一斯托克斯偏微分方程组，简 称为n s 方程组。n s 方程组是流体流动所必需遵守的普遍规律。在守 恒方程组基础上，加上反映流体流动特殊性质的数学模型( 如湍流模型、燃 1 8 西华大学硕士学位论文 烧模型、多相流模型等) 和边界条件、初始条件，构成封闭的方程组来数学 描述特定流场、流体的流动规律。 具体的流场控制方程组分为三类：椭圆型、抛物型和双曲型偏微分方 程组。从物理意义上概括地说，椭圆型方程与时间变量无关，仅与空间变 量的二次导数项有关，一般用作描述定常情况的控制方程；抛物型与双曲 型方程不仅与空间变量导数项有关，而且分别与时间变量的一阶和二阶导 数项有关，用于描述非定常情况下的控制方程。 c f d 数值求解方法主要有有限差分法、有限容积( 控制容积) 法、有限 元法、边界元法、有限分析法、谱分析法、数值积分变换法、格子- - b o l t z m a n n 法等，虽然后几种方法近几年来有很大的发展，并己成功地解决了一些问 题，但就方法的成熟程度、实施的难易及应用的广泛性等而言，有限容积 法和有限元法仍占相当优势。虽然对三种不同类型方程，数学上已经发展 出不同的稳定、。收敛的算法，但一般对椭圆型方程使用有限元法，对抛物 型和双曲型方程则使用有限容积法较好。目前流行的大型商业化c f d 软件 中只有f i d a p 是使用有限元法的，丽c f x 、p h o e n i c s 、s t a i 卜c d 、 f l u e n t 等均采用有限容积法。 近年来，随着计算机技术的日新月异，复杂流动问题的模拟计算迅速 发展，多种通用大型的商品化c f d 软件如“c f d 2 0 0 0 ”、“p h o e n i c s ”等相继 问世，而应用于各个特殊领域解决专门问题的专用化计算软件更是不可胜 数，其应用也已从最初的航空扩展到包括离心泵在内的多个领域。同时计 算流体力学已从定性分析发展到定量的计算，正在逐步成为c