【摘要】：迷宮螺旋泵是一種極小流量、高揚(yáng)程、結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單的極低比轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)泵,是石油、化工、水處理等行業(yè)急需的特種泵。但其泵送機(jī)理至今仍不十分清楚,對(duì)泵送性能的認(rèn)識(shí)也僅停留在初級(jí)試驗(yàn)階段,泵的設(shè)計(jì)和使用是基于大量的未經(jīng)理論分析和整理的試驗(yàn)數(shù)據(jù),因而存在很多不確定性因素,極大限制了迷宮螺旋泵的推廣應(yīng)用。 基于上述原因,本文采用FLUENT流體計(jì)算軟件中SST k-ω湍流模型對(duì)多重坐標(biāo)中迷宮螺旋體轉(zhuǎn)子、定子螺槽流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,利用CFD數(shù)值模擬結(jié)果和二維湍流方程以及普朗特混合長(zhǎng)度理論對(duì)流體流動(dòng)、泵送機(jī)理和泵送性能進(jìn)行了定性和定量分析,優(yōu)化了三角形螺紋形狀及幾何參數(shù),對(duì)泵送性能進(jìn)行了相似換算。最后,試驗(yàn)驗(yàn)證了迷宮螺旋泵在不同因素作用下的泵送性能變化趨勢(shì)。 CFD數(shù)值模擬迷宮螺旋體流場(chǎng)表明:泵內(nèi)壓力沿軸向線性分布。泵轉(zhuǎn)子、定子名義間隙分界面上,同時(shí)存在強(qiáng)烈向心流動(dòng)和離心流動(dòng),二者速度隨壓力升高而增大;轉(zhuǎn)子螺槽和定子螺槽流體切向速度方向相反,大小隨壓力升高增大,導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子定子間隙形成強(qiáng)剪切區(qū);定子螺槽“泄漏”流與轉(zhuǎn)子螺槽泵送方向流動(dòng)方向相反,“泄漏”流隨壓力升高而增強(qiáng),而轉(zhuǎn)子螺槽驅(qū)動(dòng)流動(dòng)隨壓力升高而減弱。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合泵性能試驗(yàn)研究,提出:迷宮螺旋泵的泵送壓力是流體在軸向流動(dòng)中通過(guò)蜂窩體反復(fù)加壓獲得的,泵轉(zhuǎn)子、定子間隙流體之間強(qiáng)烈的湍流剪切力是蜂窩體流體進(jìn)行動(dòng)量和能量交換的根本動(dòng)力。推導(dǎo)出了迷宮螺旋泵泵送性能的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,定義了表征蜂窩體水力性能的蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)K_f和表征相同尺寸泵揚(yáng)程相對(duì)高低的泵總揚(yáng)程系數(shù)K_b兩個(gè)新概念。 將迷宮螺旋泵內(nèi)流體流動(dòng)看作轉(zhuǎn)子螺紋對(duì)流體的拖動(dòng)流和泵兩端壓差作用下壓力流的線性疊加,結(jié)合二維湍流理論和CFD數(shù)值模擬,建立了不同于Bilgen流場(chǎng)速度分布的迷宮螺旋泵的流場(chǎng)模型。其中切向壓力流是關(guān)于y軸的奇函數(shù),軸向拖動(dòng)流在轉(zhuǎn)子螺槽類似拋物線分布,將速度沿螺槽深度積分得到泵流量揚(yáng)程關(guān)系式。 基于迷宮螺旋體內(nèi)流體流動(dòng)和其泵送機(jī)理,提出泵功率主要由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)流體功率、螺紋壁面摩擦損失、蜂窩體湍流摩擦損失、動(dòng)能和機(jī)械摩擦損失組成,泵效率由容積效率、水力效率和機(jī)械摩擦效率組成。對(duì)迷宮螺旋泵試驗(yàn)性能分析發(fā)現(xiàn):泵轉(zhuǎn)子、定子間隙增大,泵水力效率明顯下降,而容積效率基本不變。 利用CFD數(shù)值模擬和Golubiev試驗(yàn)數(shù)據(jù),以蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)K_f最大為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化出了三角形螺紋最佳相對(duì)槽深h/t、最佳牙型角和螺紋導(dǎo)程范圍。基于螺紋幾何參數(shù)與泵性能的理論方程,擬合出了K_f與螺紋幾何參數(shù)s_D/h、h/t和tga的定量關(guān)系式,定性分析了流體離心力對(duì)K_f的影響。結(jié)果表明:螺紋導(dǎo)程減小,蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)降低,但泵總揚(yáng)程系數(shù)升高;蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)隨轉(zhuǎn)子、定子之間相對(duì)直徑間隙增大而降低,降低程度與螺紋形狀有關(guān);蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)在相對(duì)螺槽深度變化很寬的范圍內(nèi)隨相對(duì)螺槽深度增加而降低;離心力增大,蜂窩體揚(yáng)程系數(shù)先是增大,而后又降低。 基于流體流動(dòng)相似原理和泵送機(jī)理,推導(dǎo)出了迷宮螺旋泵在轉(zhuǎn)子定子間隙、螺紋導(dǎo)程、及轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)速變化時(shí)的泵送性能的相似經(jīng)驗(yàn)換算關(guān)系式,用換算公式對(duì)泵模擬性能和試驗(yàn)性能作相似換算,換算性能和CFD模擬性能及試驗(yàn)結(jié)果一致。 最后,對(duì)迷宮螺旋泵泵送性能進(jìn)行了泵常規(guī)性能試驗(yàn),試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):迷宮螺旋泵的流量和揚(yáng)程遠(yuǎn)高于相同螺紋參數(shù)的螺旋泵的流量和揚(yáng)程;螺紋導(dǎo)程降低,泵關(guān)死揚(yáng)程升高,流量降低,性能曲線變陡;螺桿螺套配合間隙減小,泵揚(yáng)程和效率明顯提高;轉(zhuǎn)子螺紋牙尖迎向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向,會(huì)導(dǎo)致泵流量、揚(yáng)程降低。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH315

【參考文獻(xiàn)】

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1 廖慧榮,周侃;調(diào)速給水泵密封系統(tǒng)的改造[J];廣西電力技術(shù);1996年04期

2 張家杰;125MW機(jī)組調(diào)速給水泵螺旋密封的改進(jìn)[J];華東電力;1994年10期

3 張華娟;李春;;基于性能預(yù)測(cè)的水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J];上海理工大學(xué)學(xué)報(bào);2006年04期

4 嚴(yán)俊峰;陳煒;;基于遺傳算法的低比轉(zhuǎn)速高速泵優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];火箭推進(jìn);2006年03期

5 朱毅征,羅進(jìn),韓國(guó)軍;迷宮螺旋泵和密封的數(shù)值分析[J];航空學(xué)報(bào);1991年08期

6 韓國(guó)軍,朱毅征,趙振文;迷宮螺旋密封的結(jié)構(gòu)原理及其壓頭系數(shù)的確定方法[J];流體工程;1993年11期

7 張洪信,張鐵柱,張繼忠,楊建民;非接觸式轉(zhuǎn)子泵優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2005年07期

8 任濤;閆永強(qiáng);梁武科;;CFD技術(shù)在離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];排灌機(jī)械;2007年01期

9 屈賢明,俞龍生;螺旋槽式粘性旋轉(zhuǎn)密封[J];潤(rùn)滑與密封;1981年03期

10 遲海卿;淺談螺旋密封[J];潤(rùn)滑與密封;1989年05期

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本文編號(hào)：2669509