毕业论文 离心泵发展及研究.doc

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1、离心泵发展及研究 摘 要 离心泵是一种通用水力机械，其内部流动情况一直是泵设计人员十分关注的问题，因为泵内流动的优劣直接影响泵的性能。离心泵叶轮的内部流动是很复杂均三维紊流流动，同时由于受旋转和叶片表面曲率的影响还拌有脱流、回流及二次流的现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算问题之一。 早在 20 世纪 5O 年代，一些专家学者就开始尝试使用数值计算方法来预测叶轮中的流动情况。但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于吴仲华教授的S1、S2 两类相对流面理论后，叶轮机械内流数值模拟才得到了迅速发展。迄今为止，国内许多学者已经对离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟进行了研究，也取得了一些成果，但并

2、不理想，也缺少实验验证。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学 CFD Computational Fluid Dynamics发展很快，许多商用 CFD软件应用非常广泛，在离心泵内部流场数值模拟上的应用也日见增多。通过 CFD方法对离心泵叶轮内部流动进行数值模拟，了解液流在叶轮过流部件中的速度和压力分布，从而进行叶片的选型、设计和性能预测已成为现代泵技术的重要方法之一。 关键词：离心泵；叶轮；数值模拟 目 录第1章 绪 论 . 1 1.1 离心泵的发展和应用现状 . 2 1.2 本文的工作 . 4第2章 离心泵原理及设计方法 . 5 2.1 离心泵及其工作原理 . 5 2.2 离心泵

3、设计方法概述 . 12 2.3 离心泵的部件及工作参数 . 16第3章 离心泵内部流场的研究方法 . 20 3.1. 紊流理论概述 . 20 3.2 无粘性流动数值模拟 . 21 3.3 分区考虑粘性效应的数值模拟 . 21 3.4 三维粘性数流动值模拟 . 22第4章 目前的研究成果 . 26 4.1 目前的一些研究 . 26 4.2 几种常见离心泵的应用 . 27第5章 研究的发展趋势 . 30 5.1 紊流模型的研究 . 30 5.2 泵优化设计发展趋势 . 30 5.3 发展网络生成技术 . 32 5.4 矢量化及并行算法 . 33致 谢 . 34参考文献 . 35 I 第1章 绪 论

4、 在石油天然气的储存和运输工程中，广泛地使用各种管输流体机械，用来增加流体的能量，克服流动阻力，达到沿管路输送的目的。离心泵是一种应用范围十分广泛的通用水力机械，它广泛的应用于给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等等。而且随着现代科学技术的飞速发展其应用范围正在迅速的扩大。随着应用范围的扩大，工作环境也越来越复杂，现代工程技术对泵的性能要求越来越高，传统的基于经验和模型试验相结合的设计方法很难达到这样的设计要求。传统设计方法的一般过程为:设计一样机性能试验检测一制造，这样样品试制和性能检测要经过多次，整个设计也要经过多次重复，显然，传统设计方法的缺点是设计周期长

5、，设计成本高。产品的开发周期长和设计成本高成为离心泵新品开发难以逾越的瓶颈。因此，需要探索新的离心泵设计方法。 在传统的泵的研制过程中，一个成功的水力设计模型往往要经过多次反复性能试验模型修改才能完成，随着计算流体动力学在其它行业的成功运用，现在完全有可能采用计算流体动力学CFD仿真分析方法来代替性能实验，在计算机上完成初步三维造型设计之后，就可进行流场的校核并预测泵性能，从而缩短产品开发周期和降低成本。 此外，据全国流体机械及工程国际学术会议上报告:泵是一种应用广泛、耗能大的通用流体机械，我国每年各种泵的耗电量大约占全国总耗电量的 20耗油量大约占全国总耗油量的 50。离心泵是各种泵中使用范

6、围最广泛的，而一般的离心泵的整机效率只有 50 一 60，我国离心泵的运行效率平均比国外低 10-30，节电潜力约为 300-400 亿千瓦时，因此提高泵的性能和效率，将心水泵效率由三部分组成:机械效率、容积效率和水力效率，主要是水力效率比较低，要想提高水力效率，那么离心泵内部流动的精确计算和性能预测是十分重要的。因此急需开展这方面的研究工作。充分利用飞速发展的 CFD 技术来预测离心泵的性能，查明影响离心泵性能的因素，研究一种新的离心泵设计方法，进一步提高泵的效率，从而从整体上提高它的性价比。 11.1 离心泵的发展和应用现状1.1.1 国内离心泵的发展 我国的离心泵是由 50 年代仿苏产品

7、开始的，当时仅生产 K 型单级单吸悬臂式离心清水泵和凸型单级双吸两端支承式离心清水泵，主要用于农田排灌。继而沈 如阳水泵厂又生产一些仿苏石油化工用泵， DJ . FDJ .， FSJ， FDR .SR FSR SJ DR型油泵以及 FL BN 型耐酸泵等。60 年代，我国自行设计研制成系列，生产国内自己的离心泵清水泵方面由 K 型改成 B 型，凸型改成 SH 型等石油化工方面由DJ、SJ、FSJ.型改为 Y 型，FL、BN 型改为 F 型锅炉给水泵方面还生产 DH 型等，满足国内绝大部分装置的要求。60 年代末至 70 年代，国内生产油泵、耐腐蚀泵不仅是沈阳水泵厂一家，生产 Y 型油泵扩大到上

8、海水泵厂、长沙水泵厂、长春水泵厂、石家庄水泵厂、北京水泵厂、宝鸡水泵厂等。生产 F 型耐腐蚀泵的还有大连耐酸泵厂、上海水泵厂、广州重型机器厂、广东佛山水泵厂、天津耐酸泵厂等。80 年代，我国相继引进了国外许可证先进技术，既有石油化工用泵，也有清水泵，也有锅炉给水泵，还有泵用机械密封。通过引起技术的消化吸收，80 年代末一 90年代初，沈阳水泵厂利用国外先进技术改造了原 Y 型油泵为 AY 型油泵。沈阳水泵研究所组织重新设计了 IH 型替代 F 型耐腐蚀泵，沈阳水泵厂又重新设计了 AF型泵准备替代 IH 型化工泵，从可靠性和效率等方面均优于 IH 型泵。通过移植、设计、试制及生产了国产加氢进料泵

9、、焦化进料泵及除焦、除鳞等大型泵，到目前为止，国内所生产的离心泵是型式多样、品种齐全、门类繁多，遍及到从民用到国防，从农业到工业乃至核工业，从山区到平原，从水上到陆地，乃至天空，无处不有。 总之，国内目前可为 l00 万 kW 火力发电机组，500 万 t/a 炼厂、2000 万 t/a 输油管线，30 万 t/a 合成氨、200 万 t/a 加氢、100 万 t/a 延迟焦化等装置提供国内的泵类产品。国内已生产的离心泵的最大流量大于 20000mj/h，最高扬程 2800m，最高输送温度 400，最大驱动功率 1 0000kW，最高吸入压力达 17.SMPa 。离心泵是量大面广的产品，进入市

10、场经济后，国内几个大泵厂家都在积极开发自己的泵系列，尽量去满足市场的需要。 沈阳水泵厂是国内最大的泵类专业厂，已被国务院批准为重大技术装备国产化基地，也被国家经贸委批准为机电产品出口基地企业和电站装备国产化基地企业，属于综合性的泵厂家，代表了国内泵技术水平。生产的泵类产品，不仅结构型式多，而且品种规格也齐全。国内不少高精技术泵产品均由沈阳水泵厂制造，如军工用泵、核电用泵、大型锅炉给水泵、焦化进料泵、除焦泵、高速切线泵等。为了满足需要，泵的结构型式、品种和产量都在不断增加，质量和可靠性也都在 2不断提高，泵厂数量和规模也在逐渐扩大，使用范围也日益广泛。从泵的类型来看，目前离心泵的基本结构己发展得

11、比较完善，当前设计方面更多地趋向于设计生产具体工况条件下的专用泵，即所谓工程专用泵。 总之，当前国内离心泵的技术水平通过几十年的发展以及许可证技术引进，从综合技术水平来看，单两级泵方面都具有国际先进水平，与国外同类型泵相比无差距，有些地方还是国际一流水平，如可靠性、效率、通用化程度等。而高温高压多级泵在结构型式、可靠性方面已达到国际同类型水平，国内起步较晚，引进技术，消化吸收，从 89 年、90 年开始生产高技术水平泵，逐步开发完善，并替代进口。与国外差距在于管理落后，导致:1交货不及时2铸件表面质量和内在质量不够理想。 建国儿十年的发展，我国离心泵开始是生产仿苏产品，接着为自行设计一水泵行业

12、联合设计、生产国内自己的产品，后来到引进国外先进许可证技术，直到各个厂家自行开发高水平的泵或者是合资这儿个阶段。泵产品结构型式、系列、品种规格均由少到多，性能及使用范围不断扩大，技术水平由低到高，各个厂家发展各自具有特色的泵类产品:沈阳水泵厂主要有电站包括核电站和石化用泵两大部分:大连耐酸泵厂只要以化工用泵为主上海水泵厂主要是电站和石化用泵两大部分，部分是清水泵:北京水泵厂主要是石化方面为主石家庄水泵厂是以杂质泵为主长沙水泵厂主要以大型清水泵和石化泵为主其他一些厂各有特色。总之，国内的离心泵是逐年在发展，厂家在增加，品种数量也在增加，工业总产值也在增长，下面列出中国泵业协会所编年鉴统计儿组数字

13、足以证明这点，从泵行业协会165 个大小成员厂的初步统计:单级单吸清水泵 91 年 265723 台， 年是 291943 台， 9496 年是 439708 台油泵 91 年 8789 台，94 年是 9580 台耐腐蚀泵 91 年 16113 台，94 年 18534 台。 年工业总产值完成 374200 万元，比 92 年增长 17.7. 93 94 年工业总产值完成 391540 万元，比 93 年增长 7.495 年工业总产值 411034 万元，比94 年增长 11.5年工业总产值完成 463829，比 95 年增长 8.6 。1.1.2 发展现状 1我国泵产品图样的来源可联合设计

14、、引进、自行开发等几种 2关键泵产品从部分进口到现在基本全部国化由于引进产品和 KSG 著名企业的进入，我国泵的生产能力显著提高。国民经济部门的主要关键用泵基本上都可以生产。 3以 CAD 为主的新技术广泛应用 4无堵塞泵和低比转速泵技术取得进展 1我国自行总结出的无堵塞泵设计方法，基本达到实用程度，国内广泛使用设 3计方法主要包括沿流道中线断面变化规律设计双流道叶轮方格网保角变换方法设计螺旋离心式叶轮根据叶轮外径、蜗室最大外径和喉部面积二要素设计旋流式叶轮。 2低比转速泵理论和设计的研究广泛而深入无过载设计方法得到推广应用，采用长短叶片和短叶片偏置取得良好效果。 5 轴流泵模型达到国外同类模

15、型的先进水平 2004 年 9 月 25 日至 2005 年 1 月 16 日，全国 27 个模型，参加了水利部南水北调工程水泵模型天津同台测试。本次试验领导有力、组织严密、监督公正、数据准确。模型比转速 5007500 基本复盖了轴流泵的使用范围和原模型相比，效率提高约 2流量提高约 5有 7 个模型的角度平均效率超过 85已达到国外同类模型的先进水平。国家南水北调等重要工程的低扬程水泵，大部分将从这此模型中选用。1.2 本文的工作 离心泵叶轮的内部流动很复杂，一般说来是三维的紊流流动，由于受叶轮旋转和表面曲率的影响还伴有脱流、回流及二次流现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算的问题之一

16、。早在 20 世纪 50 年代，一些专家学者就开始尝试采用数值计算的方法来预测叶轮中的流动情况。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学 CFD Computational Fluid Dynamics ）发展很快，在离心泵 用内流数值模拟上的应用也日见繁多。 CFD 方法研究各种离心泵叶轮的内流特点，从而进行叶轮的选型和设计已成为现代水泵技术的重要方法之一。 本文调研文献资料，结合计算机技术的发展，论述离心泵叶轮内部流动数值模拟研究的历史和现状，对用于离心泵叶轮内流的数值模拟方法进行详细的介绍；在总结前人所做工作?幕希岢隽死胄谋媚诹骷扑愕姆骨魇啤?4 第2章 离心泵原理及设计方法2.1

17、 离心泵及其工作原理2.1.1 离心泵 离心泵由于具有设计简单，安装、维护成本较低 操作弹性范围较大等特点，而被广泛的应用于过程工业中。这种类型泵的尺寸范围很广容量从几加仑到 100，000 加仑而且输送压头（压力）从几英尺到几千英尺。基本上，一个离心泵有一个叶轮叶轮是由一系列不同曲率的径向叶片和一个圆形外壳构成。图 1-1 举例说明其工作原理。 图 1-1 从吸入管路1进来的液体，沿着轴线方向在旋转叶轮2的作用下进入泵室（3）并且在离心力的作用下将液体向叶轮4外甩。高速转动叶轮使液体获得了动能。泵的吸入口处和排出口处之间的压力差是由进入泵内的液体的动能转化成机械能所引起的。压力降低发生在叶轮

18、的入口处，而且液体通过一个供给箱被不断的灌入泵内。如果不用液体填充泵室，叶轮将不能够生产一个提升液体到吸入线高度所必须的压力差。 大多数的离心泵不是自动注水，并且因此不能够疏散来自吸入线的蒸汽，以便使液体能够在没有外力的作用下流入泵壳。离心泵上的动叶轮是针对高效率的 5抽吸而被设计的，并不是在蒸汽压缩机中所需要的在较高速度操做所需要的叶轮。对于蒸汽和液体来说泵轮传送的不等压头是相同的。然而实际上，相等的压力差下蒸汽蒸汽上升的高度比较低。启动离心泵时吸入线和泵壳内一定要充满液体。当吸入源在正压力的作用下或者被放置在泵上方时启动离心泵是通过打吸气阀以排出泵壳内或排出管道内的气体来完成的。然后液体取

19、代排出的蒸汽进入吸入线和泵壳内。 离心泵在化学工业中被广泛应用。离心泵的设计包括设计一个安装在可调整的轴上的，用来处理清液、悬浮液以及乳浊液的开放式的叶轮系统。处理清液或固体颗粒较少的流体时，叶轮也可以是闭合的。 这个特殊的设计采用了一个双涡形的叶轮。所有的泵的涡形的设计是取当叶轮轴和轴承上产生的径向推力，在泵的操作曲线上达到最大效率工作点时的弯曲形状。结果在泵的结构上需要一个最小的径向推力。然而，当一个泵没有在最好的工作效率点下操作时泵壳的设计不再能平衡水力的负载和增大的径向推力。一个双涡形的液体裂解槽使进入涡壳的液体沿着两个独立的路径流动。流量裂解槽的等高线与涡壳的等高线成是相反方向的，成

20、180o。两者与叶轮的中心矩近似相等 因此作用在叶轮上的径向载荷被平衡掉了并且大大降低了。 大多数的化学用泵都是用高成本的合金铸造而成。泵壳常常是用托架支持或被地脚螺栓支持，并非中心线支持。化工用泵适用于广泛的操作范围，但大多数化工用泵常限于低流速范围内使用。 许多离心泵是说有单缸式的，也就是说在排出压力和大气压力之间的液体只由一个涡室隔开。双缸式的离心泵套被用于水平的，多级的，和高压泵以及立式泵，前者是厚壁圆筒壳体内装有一组多级涡轮导流盘。装有一组多级涡轮导流盘的圆筒壳体，用于开放式叶轮的泵中。这种类型的泵通常被作为补给泵在锅炉中应用。 泵壳可以安装在和轴在同一平面被称为轴向分离的或与轴所在

21、平面垂直的平面上被称为径向分离。轴向分离的卧式泵常常被称为 quot水平分离quot 。径向分离的卧式泵普遍被称为 quot径向分离quot。为达到机械平衡，允许转子和轴承组件在水平方向上移动。 这一配置的泵常用于高压的多级压缩泵上，因为所受的高的轴向力和压力，被分为二等份从而降低了径向载荷。 单级涡轮的悬挂取决于叶轮的装配/ 支撑装置。这种设计的涡室在中心线被支持。二个轴承被紧密地装在一个轴承托架中叶轮被作成成悬臂式或外悬式。通常地，利用这一结构类型的泵在吸入和排出液体，使法兰产生疲劳而断裂的截面，一般都在叶轮或涡壳的前后端面；单吸入式封闭叶轮；并且用单个填料函进行机械密封。这些泵适用于在高

22、温下操作而且能处理易燃的液体。 6 一个双级外悬泵是单级泵的改进，能够得到较高的压头。通常填函处的压力约为在吸入处与排放出压力差的一半。 通常情况下多级离心泵能比单级泵获得较高的冒口压力 。这些泵可用来压力高达3000 磅/平方英寸，容量超过 3000 加仑每分钟。2.1.2 离心泵的工作原理 能量、压头和离心泵处理能力的基本方程式，是工作在理想状态下的泵，遵循流体动力学的基本原理得出的。由于实际生产中泵的运转与理想中不同，实际生产使用的泵被进行实验式标准的修正而达到理想的设计情形。 图1-2 如上图所示 液体在离心泵内是如何流动的。液体在吸入管接口的轴向进入在图中 a 处。在叶轮的旋转作用下

23、眼液体成放射状向外飞溅，进入在轮叶之间的沟槽在位置 1 处。液体在叶轮中流动，通过叶轮的边缘 2 流出，液体在涡室内被收集并且在 b 位置处由排液管排出泵外。 泵的性能分析常被认为是把总的路径分为中的三个独立的部分来考虑：首先截面 a 和截面 1 之间；其次 液体穿过叶轮的截面 1 和截面 2 的区间；第三液体流过涡室的截面 2 与截面 b 之间。泵的核心是叶轮 流体机械理论流动路径的第二个断面要首先被考虑。 如图 1-3 所示的是一个单一片在一个叶轮中众多叶片中的一个。分别地在叶轮的入口处 1 和出口处 2 表现出各种不同的速度。在 2 位置处首先考虑矢量。由 7于泵的设计被描绘出的叶轮的终

24、端与它的切线方向所成的角度为 2 。速度是一个以叶轮为观测点所见到的点 2 处的流体的流动速度因此是一个相对速度。二个理想化的模型现在被接受。首先假定流过动叶轮的外围所有的液体流的流动速度相同，因此，在各个方向上的 但是不是矢量方向速度的数值都是 v2 ；其次，假定矢量速度 v2 和切线之间夹角是实际的轮叶角 2 。这一假定可等价认为，是在一个无限小的距离内有无限多个零厚度的叶片。这一理想的状态被称为理想导向。叶片尖端点 2 处的液体以相对于轴的圆周速度 u2 移动。速度 v2 是以地面为观测点的叶轮的合速度。 v2 被称为流体的绝对速度，是由矢量速度 v2 和周向速度 u2 根据平行四边形法则得出的矢量和。合速度 v2 与之间夹角用 2 来表示。 一组可比较的矢量在轮叶的入口 1 处被画出如图 1-3 所示。在平常的设.