【摘要】： 低比速離心泵廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域,為了進(jìn)一步提高其水力性能,改善內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài),人們?cè)谌~輪相鄰兩長(zhǎng)葉片之間添置分流葉片。課題組前期研究表明,添置分流葉片后離心泵的性能確有提高。本文在高等學(xué)校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目的資助下,采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)帶分流葉片的低比速離心泵進(jìn)行研究,旨在找出分流葉片對(duì)全流場(chǎng)內(nèi)部流動(dòng)以及對(duì)低比速離心泵性能的影響規(guī)律,完善帶分流葉片離心泵的設(shè)計(jì)方法。主要研究工作和創(chuàng)造性成果有: (1)簡(jiǎn)要回顧了離心泵內(nèi)部流動(dòng)測(cè)試與數(shù)值模擬的研究進(jìn)展;討論了分流葉片對(duì)低比速離心泵內(nèi)部流動(dòng)改善和效率提高的機(jī)理,并對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析;對(duì)離心泵的理論特性、內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理和粘性損失作了較全面的概括。 (2)總結(jié)了本課題組前期在分流葉片方面的研究工作:正交試驗(yàn)得出的分流葉片的幾何參數(shù)對(duì)性能的影響情況,及CFD數(shù)值計(jì)算與PIV測(cè)試的對(duì)比結(jié)果等。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)分流葉片的進(jìn)口直徑和周向偏置度進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)和葉輪內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算,深入探索了分流葉片改善葉輪內(nèi)部流動(dòng)的機(jī)理。首次引入湍動(dòng)能及葉片載荷的概念,深入分析了添置分流葉片后對(duì)葉輪做功,及對(duì)葉輪內(nèi)“射流-尾流”結(jié)構(gòu)的改善原理;通過對(duì)單個(gè)流道內(nèi)多截面的速度分布分析,了解分流葉片偏置對(duì)兩個(gè)分流道內(nèi)流量分布及速度分布的影響趨勢(shì)。 (3)引入葉片數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,進(jìn)行多方案改進(jìn)設(shè)計(jì),首次對(duì)包括葉輪前后腔體的離心泵全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)其中一個(gè)設(shè)計(jì)方案,采用不同的湍流模型、網(wǎng)格數(shù)以及迭代殘差,對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證,盡可能地把人為誤差控制在最小范圍內(nèi),確保后期計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。預(yù)報(bào)了各設(shè)計(jì)方案離心泵的性能曲線,得出添加分流葉片后對(duì)泵性能的影響趨勢(shì):H-Q曲線更趨平坦,η-Q曲線向大流量方向偏移,且高效區(qū)變寬;P-Q曲線更加陡增。 (4)通過對(duì)分流葉片及長(zhǎng)葉片上的作用力矩分析,以及葉輪內(nèi)流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布規(guī)律,首次提出了“分流葉片作用力矩為正”的原則,來確定分流葉片進(jìn)口直徑取值的上限;并結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),建立了適用于低比速離心泵的分流葉片進(jìn)口直徑的設(shè)計(jì)公式。 (5)首次通過數(shù)值模擬方法,預(yù)測(cè)了不同工況下葉輪蓋板內(nèi)外側(cè)表面的粘性損失及圓盤摩擦損失;并把圓盤摩擦損失值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比,二者在設(shè)計(jì)點(diǎn)處有較好的一致性,但計(jì)算得到的不同工況下的圓盤摩擦損失分布規(guī)律是一種新的發(fā)現(xiàn),各個(gè)方案都在1.0Q_d附近有極小值,圓盤摩擦損失所占軸功率比例為15%左右,在0.4Q_d附近有極大值,圓盤摩擦損失可占30%以上。 (6)采用L_9(3~4)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用FDM熔絲沉積成形工藝加工葉輪,并進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)。通過正交試驗(yàn),獲得分流葉片幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泵性能影響的主次順序,并提出了分流葉片各設(shè)計(jì)參數(shù)的取值原則。為了與前期數(shù)值計(jì)算部分對(duì)應(yīng)起來,驗(yàn)證數(shù)值預(yù)報(bào)離心泵性能規(guī)律的準(zhǔn)確性,對(duì)第四章改進(jìn)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)葉輪加工并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明,二者性能曲線分布規(guī)律相似,但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要比數(shù)值預(yù)報(bào)所得揚(yáng)程和效率略低,揚(yáng)程預(yù)測(cè)誤差在5%左右,效率預(yù)測(cè)誤差在10%以內(nèi),基本滿足工程要求。 (7)首次對(duì)帶分流葉片離心泵的無過載特性進(jìn)行探索。對(duì)某一帶分流葉片葉輪方案,與同一型號(hào)性能較好的蝸殼進(jìn)行配對(duì),并進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬和結(jié)果對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)喉部面積的改變可以改變高效點(diǎn)的位置,但性能曲線的形狀基本沒有改變。對(duì)于另外一個(gè)型號(hào)有高效率和無過載要求的帶分流葉片的低比速離心泵,進(jìn)行了蝸殼的多方案設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,分析了蝸殼喉部面積設(shè)計(jì)對(duì)帶分流葉片的離心泵無過載特性的影響關(guān)系,探索其對(duì)軸功率特性的改進(jìn),但發(fā)現(xiàn)單純通過減小蝸殼喉部面積,很難實(shí)現(xiàn)功率特性的控制。 (8)總結(jié)了低比速離心泵分流葉片幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)添置分流葉片的低比速離心泵葉輪的設(shè)計(jì),在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,修正了加大流量設(shè)計(jì)法的流量放大系數(shù),并對(duì)主要幾何參數(shù)的確定方法進(jìn)行探討;建議在進(jìn)行分流葉片離心泵設(shè)計(jì)時(shí),要兼顧無過載特性,尤其葉片出口安放角β_2的取值在允許的范圍內(nèi)要取較小值;提出了蝸殼喉部面積是保證帶分流葉片離心泵無過載特性的關(guān)鍵因素,面積比應(yīng)在0.73～1.90范圍內(nèi)取值。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：TH311
【圖文】：

制造商和工程師們宣傳泵及泵系統(tǒng)的壽命周期成本的概念〔月。通過對(duì)泵系統(tǒng)應(yīng)用LCC理論分析，得知在泵產(chǎn)品的壽命周期內(nèi)，能源消耗和維護(hù)所占的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用戶購(gòu)買泵產(chǎn)品的成本(如圖1一1所示)，80%一85%是用于支付能源費(fèi)用!可見要從根本上實(shí)現(xiàn)泵系統(tǒng)的節(jié)能降耗，除了智能控制、變頻器等設(shè)備的選擇和應(yīng)用外，泵水力設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要〔，一4}。而Lcc理論在泵系統(tǒng)的應(yīng)用也必將帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。低比速離心泵屬于離心泵的范疇，又是其中效率偏低的一類泵產(chǎn)品，因其具有流量小、揚(yáng)程高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排灌、城市供水、鍋爐給水、礦山、消防、石油、化工等領(lǐng)域。由于其自身的幾何特征:葉片出口寬度較小、葉輪外徑較大，葉輪流道狹長(zhǎng)等，圓盤摩擦損失和水力損失較大，因而造成低比速離心泵效率低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。同時(shí)低比速離心泵還存在揚(yáng)程一流量曲線易出現(xiàn)

(2)垂直于流線方向的加速度可表示為:w2an二一—場(chǎng)勺白+2.口.w一毋2.r.sin中七一丫一J、一一丫-一一夕離心加速度哥氏加速度離心加速度(2一12)則作用于旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)的垂直于流線的力只=m·an可以表示為:助二_J_L_，_。_二_一下一’un’琳’U=尸‘un’u占’o‘un口兒(2一13將式(2一10)插入上式，可得:助‘wZ，，._.幸二P’}一—十‘’田‘w一毋一’r’sm甲o(hù)n又r(2一14同理可推導(dǎo)垂直方向的Rothalpy方程:生.魚+w.亞一。.亞=0P伽枷伽

【引證文獻(xiàn)】

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1 沈艷寧;袁壽其;陸偉剛;張金鳳;袁建平;;復(fù)合葉輪離心泵數(shù)值模擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2010年09期

2 張金鳳;沈艷寧;袁壽其;陸偉剛;袁建平;;帶分流葉片離心泵無過載特性的理論與試驗(yàn)研究[J];排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào);2010年05期

3 袁壽其;葉麗婷;張金鳳;袁野;張偉捷;;分流葉片對(duì)離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性的影響[J];排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年04期

4 袁野;張金鳳;;帶分流葉片的高速離心泵壓力脈動(dòng)特性研究[J];中國(guó)農(nóng)村水利水電;2012年10期

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本文編號(hào)：2715244