【摘要】：隨著不銹鋼板沖壓和焊接工藝的發(fā)展和成熟,采用沖焊工藝制造的不銹鋼沖壓焊接離心泵逐漸以節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的沖焊生產方式取代耗能高、污染重的鑄造生產方式,發(fā)展成為符合低碳經濟發(fā)展模式的新型離心泵型式,并以低成本、高性能的優(yōu)勢成為諸多領域鑄造泵的換代產品。 制造工藝的變革與迅猛發(fā)展對離心泵水力設計提出了新的挑戰(zhàn),突出表現在(1)現有設計資料不完全適用于新工藝；(2)現有設計理論未能充分發(fā)揮新工藝的優(yōu)勢；(3)市場多元化、個性化發(fā)展提出的新要求。針對這些問題,本文通過對不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉換特性進行研究,提出了能夠實現多重設計目標的不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設計方法。 本文研究遵循從內部流動結構與機理中尋找規(guī)律,在流動規(guī)律上探討能量轉換特性,以能量轉換特性為基礎摸索設計方法的思路,主要研究內容分為3個部分： 1.不銹鋼沖壓焊接離心泵內部流動診斷 首先,利用正則化螺旋度法提取流場內流向渦結構,探討了不銹鋼沖壓焊接離心泵內流體的流向運動特征。研究表明,進口段內存在渦核位置偏離中心軸線的誘導旋渦；葉輪內,在(0.6～1.4)Qd工況,流向渦主要是慢速旋轉的曲線渦,且聚集不充分,對離心泵性能影響較弱；蝸殼內,由一對逆向旋轉的對稱渦占據,在大流量工況,擴散段內存在顯著的二次渦并伴隨有旋渦破裂現象,引起能量損失增加。 然后,利用基于邊界渦量動力學的三維流動分離理論研究了葉輪內的定常流動分離狀況。針對葉輪內部流動主要以相對速度表示的特點,推導出了關鍵物理量——壁面渦通量(BVF)在旋轉坐標系下的表達式。研究發(fā)現,離心力是除壓力梯度外另一個BVF的重要來源。在不銹鋼沖壓焊接離心泵葉輪的絕大部分區(qū)域內,大尺度流動分離發(fā)生的幾率很低,流動基本呈現出“規(guī)則”的狀態(tài)。 2.不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉換特性 基于數值模擬技術,通過對葉輪各區(qū)域的軸功率分布、不同徑向位置功率變化及徑向斷面功率密度分布特點、耗散率、近壁區(qū)和流動核心區(qū)水力損失等能量特征的分析,對葉輪內流體能量傳遞與變化過程、葉輪對流體做功的時空分布特點、水力損失的成分構成與分布規(guī)律等能量轉換特性進行了研究。結果表明,葉輪出口喉部前的實際流道是能量轉換的關鍵區(qū)域,流體的大部分能量在此區(qū)域獲得；葉輪內水力損失的主要成分是壁面摩擦損失,集中分布在葉片吸力面?zhèn)群腿~輪出口附近。研究還發(fā)現,在非定常狀態(tài)下單個葉輪流道能量瞬態(tài)輸入輸出總量不一致。基于流體力學基本方程推導出能夠在現有CFD數據集下求解的動能變化率和動能密度變化率的計算式,展現了流道內能量變化的時空分布特點,也解釋了能量轉換的非定常特性。 在定常和非定常狀態(tài)下,對蝸殼內動靜壓能相互轉化的空間分布與強度特點、能量沿流向變化規(guī)律等能量轉換特性進行了研究,并利用動量矩守恒定理揭示了蝸殼內靜壓周向分布不均的成因,認為蝸殼內壓力沿周向的不均勻分布是斷面大小不可變的蝸殼之固有屬性,同時也是導致不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉換呈現出不穩(wěn)定波動特性的根本原因。 3.不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設計方法 首先,將離心泵揚程分為動揚程和靜揚程分別計算,基于能量轉換關系,提出了有別于估算水力損失的離心泵揚程理論計算方法。通過與7臺比轉數介于32～163的離心泵實驗結果對比,證明理論計算結果與實驗結果吻合良好,計算方法可靠。 其次,針對目前葉輪設計中進出口參數確定后軸向和周向流道繪型不唯一的情況,結合能量轉換特性的研究成果和不銹鋼沖壓焊接工藝的特點,分別探討了葉片包角和葉輪軸面投影形狀對離心泵性能的影響。提出了葉輪出口喉部葉片平均安放角β12、等效葉輪出口寬度be2的概念以及β12、be2和出口滑移系數σ的計算方法并以此求解葉輪出口速度三角形。將新的計算方法與之前提出的離心泵揚程理論計算方法相結合,正確預測了葉片包角和葉輪軸面投影形狀變化對離心泵外特性的影響。 然后,以獨立性為原則篩選出5個參數,葉輪外徑D2、葉輪出口喉部平均葉片安放角β12、葉輪等效出口寬度be2、滑移系數σ、蝸殼喉部面積A1作為水力設計主要參數,建立了主要參數與不銹鋼沖壓焊接離心泵外特性間的函數關系。將多重設計目標分解量化為約束條件,并利用最優(yōu)化算法求解水力設計主要參數。基于5次Hermite插值函數,建立了一種能夠滿足本文設計方法要求的葉片繪型方法,完成了實現多重設計目標的不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設計方法。 最后,應用本文提出的水力設計方法對三個型號具有多重設計目標要求的不銹鋼沖壓焊接離心泵進行了設計。通過最終產品的性能實驗,證明了本文提出的設計方法達到了預期效果,并且性能良好。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TH311

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本文編號：2684929