離心泵的課程設(shè)計-第七組-胡極諸

1、 Zhejiang Sci-Tech University課 程 設(shè) 計 論 文 論文題目: 過 程 流 體 機 械 課 程 設(shè) 計 學(xué)科專業(yè)： 過 程 裝 備 與 控 制 工 程 作者姓名： 胡 極 諸 指導(dǎo)教師： 崔 寶 玲 遞交日期： 2012年7月3日 21摘 要離心泵廣泛應(yīng)用于疏浚、冶金、化工、水利、土建和環(huán)保等行業(yè)，隨著上述行業(yè)的迅速發(fā)展，對離心泵的需求量不斷增加。因此，提高泵的效率，擴大其運行范圍，提高運行安全和可靠性，降低振動和噪聲，不僅具有巨大的經(jīng)濟效益，而且對提高我國泵工業(yè)發(fā)展水平具有重要意義。這就需要對離心泵內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)和能量損失的發(fā)生機理進行深入研究。認識離心泵內(nèi)部流

2、場的各種方法中，試驗測試是最基本和最可信的研究方法。為了了解葉輪內(nèi)部流動特性，自行設(shè)計了葉輪，采用1片普通圓柱形葉片進行內(nèi)部流動特性數(shù)值模擬，得到兩種工況下的葉輪內(nèi)部流場分布，分析了不同流量下的流量揚程和流量效率關(guān)系。計算結(jié)果表明，揚程隨著流量增大而減小，效率隨著流量增大而減小，到達最佳工況點之后，效率開始下降。關(guān)鍵詞：離心泵；水力設(shè)計；內(nèi)部流場；數(shù)值模擬目錄第一章 葉輪水力設(shè)計11.1設(shè)計參數(shù)11.1.1性能參數(shù)11.1.2設(shè)計內(nèi)容11.1.3設(shè)計成果11.2泵的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式計算和確定11.2.1泵形式及級數(shù)的確定11.2.2 泵效率計算21.2.3軸功率確定21.3泵進、出口直徑的確

3、定21.3.1泵進口直徑選擇21.3.2 泵出口直徑選擇31.3.3. 計算泵進出口流速31.4葉輪主要幾何參數(shù)的計算和確定31.4.1泵軸傳遞的扭矩31.4.2泵的最小軸徑31.4.3葉輪輪轂直徑41.4.4葉輪進口直徑Dj的初步計算41.3.5葉片進口直徑D1的初步計算41.3.6葉片出口直徑的D1初步計算41.3.7葉片進口寬度b1 的初步計算51.3.7葉片進口寬度b2 的初步計算51.3.9 葉片包角 61.3.10葉輪葉片進口安放角61.3.11 葉片進口速度61.4精算葉輪外徑71.4.1葉片出口排擠系數(shù)71.4.2理論揚程71.4.3靜矩71.4.4有限葉片理論揚程修正系數(shù)71

4、.4.5無窮葉片理論揚程81.4.6出口軸面速度81.4.7出口圓周速度81.4.8出口直徑81.4.9誤差比較8第二章 歐拉方程性能計算102.1離心泵的理論揚程102.2 考慮有限葉片數(shù)的影響10第三章 計算流體力學(xué)方法及數(shù)值模擬與分析123.1計算模型的建立123.1.1葉輪模型的建立123.2網(wǎng)格劃分133.3 流場計算邊界條件153.4數(shù)值模擬基本參數(shù)163.5數(shù)值模擬結(jié)果分析163.5.1 fluent 計算163.5.2 葉輪內(nèi)部流場的壓力分布173.5.2 速度分布173.5.3水泵揚程和水力效率的預(yù)測173.6總結(jié)19參考文獻21第一章 葉輪水力設(shè)計1.1設(shè)計參數(shù)1.1.1性

5、能參數(shù)流量Q=5m3/h 揚程H=50m轉(zhuǎn)速n=1450r/min出口安裝角ß2A=30°葉片數(shù)Z=41.1.2設(shè)計內(nèi)容離心泵葉輪的水力計算歐拉方程性能計算CFD性能預(yù)測內(nèi)部特性分析1.1.3設(shè)計成果二維圖三維圖共同得到的性能曲線計算的理論值針對兩個工況進行計算分析1.2泵的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式計算和確定1.2.1泵形式及級數(shù)的確定 泵的比轉(zhuǎn)速【1】 （1-1）故泵的水力方案為：單級單吸式離心泵。1.2.2 泵效率計算（1）水力效率【1】 （1-2）（2）機械效率【1】 （1-3） （3）容積效率【1】 （1-4）（4）總效率【1】 （1-5）1.2.3軸功率確定 【1】 （

6、1-6）1.3泵進、出口直徑的確定1.3.1泵進口直徑選擇查閱現(xiàn)代泵技術(shù)手冊可知泵的進口流速一般取值為3m/s，但是從制造經(jīng)濟性和抗汽蝕性能考慮，在吸入口徑小于250mm時，可取吸入口流速vs=1.01.8m/s,所以我們不妨取vs=1.0/s。 （1-7）取進口直徑=45mm。1.3.2 泵出口直徑選擇【1】為減小泵體積和排出管路直徑，Dd<Ds,一般有Dd=0.71.0Ds （1-8）取=38mm。1.3.3. 計算泵進出口流速【1】泵進口流速： （1-9）泵出口流速： （1-10）1.4葉輪主要幾何參數(shù)的計算和確定1.4.1泵軸傳遞的扭矩【1】 （1-11）其中計算功率 【1】 （

7、1-12）1.4.2泵的最小軸【1】對于45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理之后HB=241286，=(441539)×105 N/m2,取=441×105 N/m2 ，則最小軸頸【1】 （1-13）取1.4.3葉輪輪轂直徑查閱現(xiàn)代泵技術(shù)手冊可知葉輪輪轂直徑必須保證軸孔在開鍵槽以后有一定的厚度，使輪轂具有一定的強度，一般dh=1.21.4d，在這里我們?nèi)=1.3 【1】 （1-14）取1.4.4葉輪進口直徑Dj的初步計算D0可由系數(shù)速度系數(shù)法求得 【1】 （1-15）K0系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計資料選取主要考慮效率 K0 =3.54.0兼顧效率和氣蝕 K0 =4.04.5主要考慮氣蝕 K0 =4.

8、55.5對于穿軸葉輪： 【1】 （1-16）1.3.5葉片進口直徑D1的初步計算查閱現(xiàn)代泵技術(shù)手冊可知K1=(0.71.0)，由于泵的比轉(zhuǎn)速為10.49比較小，故K1應(yīng)取較大值1.0【1】 （1-17）1.3.6葉片出口直徑的D1初步計算【1】 （1-18） 【1】 （1-19）由現(xiàn)代泵技術(shù)手冊可知，由于比轉(zhuǎn)速小于60，上式計算的應(yīng)乘以修正系數(shù)K，取K為1.3，則【1】 （1-20）【1】 （1-21）1.3.7葉片進口寬度b1 的初步計算 【1】 （1-22）取 。其中為加速系數(shù)，其取值范圍為，考慮效率為主時取較大值，考慮氣蝕性能為主時可取較小值，這里取0.8。1.3.7葉片進口寬度b2 的

9、初步計算【1】 （1-23）其中 【1】 （1-24）但根據(jù)上述該公式計算得到的低比轉(zhuǎn)速高速離心泵的葉輪出口寬度b2, 較小，故采用以下經(jīng)驗公式【2】 （1-25）取1.3.9 葉片包角 一般可取85°110°，少數(shù)可達150°。如果葉片數(shù)z大，則應(yīng)小一些；如果葉片數(shù)z小，則應(yīng)取大一些。故取130°。1.3.10葉輪葉片進口安放角對于低比轉(zhuǎn)速離心泵，C. 普費萊德納爾提出了如下的計算公式【1】 （1-26）由此公式推導(dǎo)出葉片進口角【1】（1-27）葉片進口角取28°。1.3.11 葉片進口速度【1】 （1-28）計算變工況條件下的泵進口流速:當

10、=Q=5m3/h時, （1-29）當=1.2Q=6m3/h時， （1-30）1.4精算葉輪外徑1.4.1葉片出口排擠系數(shù)【1】 （1-31）2 葉片出口真是厚度，通常取2 =2-4mm2 葉輪出口軸面截線與流線的夾角，通常取70°-90°取=4mm =90°。1.4.2理論揚程【1】 （1-32）1.4.3靜矩S為葉片軸面投影圖中線對旋軸的靜距【1】 （1-33）1.4.4有限葉片理論揚程修正系數(shù)【1】 （1-34）為修正系數(shù)a與泵結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，取a=0.6。 對導(dǎo)葉式壓水室 a=0.6 對蝸殼式壓水室 a=0.60.85對于環(huán)形壓水室 a=0.851.

11、0 1.4.5無窮葉片理論揚程【1】 （1-36）1.4.6出口軸面速度【1】 （1-37）1.4.7出口圓周速度【1】（1-38）1.4.8出口直徑【1】 （1-39）1.4.9誤差比較【1】 （1-40）依上述步驟進行第二次精算可得 符合要求。表1-1 最終參數(shù)參數(shù)名稱計算結(jié)果最終取值 泵的最小直徑d （mm）1215葉輪輪轂直徑dh（mm）19.520葉輪進口直徑Dj（mm）4545葉片進口直徑D1（mm）4545葉片出口直徑D2（mm）376384葉輪進口寬度b1（mm）88葉輪出口寬度b2（mm）5.56 葉片出口安放角ß2A（°）（3030 葉片進口安放角

12、23;1A（°）27.928葉片數(shù)Z44葉片進口速度（m/s）0.87，1.05 葉片包角（°）130130第二章 歐拉方程性能計算2.1離心泵的理論揚程【1】假定葉片為無窮多，由方程式 （2-1）式中：F2葉輪出口有效過流面積， （2-2）2 ：在計算時可假定2=0.80.9；R2葉輪外圓半徑；u2圓周速度， （2-3）D2出口處研究處點的直徑；2A葉片出口安放角30°；計算結(jié)果： （2-4）2.2 考慮有限葉片數(shù)的影響經(jīng)過分析與推證，對低比轉(zhuǎn)速葉輪，普氏將滑移系數(shù)的計算公式【1】具體總結(jié)（2-5）a與泵體結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；對導(dǎo)葉壓液室a=0.6;對渦殼壓液室

13、a=0.650.85;對環(huán)形壓液室a=0.851.O；F封閉周線所圍面積， （2-6）T葉片節(jié)距， （2-7）計算結(jié)果: （2-8）第三章 計算流體力學(xué)方法及數(shù)值模擬與分析3.1計算模型的建立葉輪流道的實體造型是進行流場數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，模型的精確與否直接影響了計算結(jié)果的可信度。本文利用自行設(shè)計的葉輪，結(jié)合UG軟件進行葉片、葉輪的精確三維實體造型，為后續(xù)的數(shù)值模擬奠定了良好的基礎(chǔ)。3.1.1葉輪模型的建立根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用UG軟件進行葉片、葉輪流道的精確三維實體造型5，生成葉輪的三維實體模型，圖3-1是主視圖及子午視圖，圖3-2是葉輪三維造型，圖3-3是葉輪流到實體模型圖3.1 主視圖及子

14、午視圖 圖3.2 半開式葉輪三維造型實體 A 流道正面 B 流道背面圖3.3 葉輪流道實體建模 3.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達式，也是模擬和分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要的影響。對于復(fù)雜的模型，網(wǎng)格生成是一個漫長而枯燥的過程，經(jīng)常需要進行大量的試驗才能取得成功。GAMBIT是作為FLUENT求解器的專用前處理軟件包，用來為數(shù)值模擬生成網(wǎng)格模型。GAMBIT提供了混合網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格。本文設(shè)計的葉輪比較簡單，進行網(wǎng)格劃分時只需要把進口壁和葉片部分劃的網(wǎng)格間距不一樣即可。利用UG軟件生成幾何模型保存成STEP格式文件后，導(dǎo)入GAMBIT中進

15、行混合網(wǎng)格劃分，其步驟如下：首先把整個模型根據(jù)不同的層次分成兩個體，得到分別為Z1進口部分和Z2葉片部分兩個體。設(shè)第一個體Z1,進口部分的網(wǎng)格間距為2.5毫米，得到網(wǎng)格數(shù)為57524。模型見圖3.4。 圖3.4 進口部分網(wǎng)格圖設(shè)第二個體Z2部分的網(wǎng)格間隔為2.5毫米，得到網(wǎng)格數(shù)為416777。模型見圖3.5。. 圖3.5 葉片部分流道網(wǎng)格圖最后得到計算網(wǎng)格總數(shù)為474301。得到葉輪網(wǎng)格劃分示意圖3.6。圖3.6 葉輪實體模型網(wǎng)格劃分示意圖3.3 流場計算邊界條件 下面對圓柱形葉片流道葉片的葉輪進行數(shù)值計算。其中，葉片數(shù)Z=4，設(shè)計工況點為轉(zhuǎn)速n=1450r/min,流量Q=5m3/h。對葉輪

16、內(nèi)部流動而言，主要存在進口邊界、出口邊界和固壁邊界。（1）進口邊界對于不可壓流動，進口邊界取為速度入口邊界條件(velocity-inlet)。在計算出軸向速度時，假設(shè)進口邊界上無切向速度與徑向速度，并且軸向速度是均勻分布的，因此根據(jù)流量即可計算出進口速度。（2）出口邊界在計算區(qū)域的出口邊界上，流動情況完全由區(qū)域內(nèi)部外推得到，可以認為流動己充分發(fā)展，即對上游的流動參數(shù)沒有影響，故取自由出流邊界條件(pressure-out)。（3）固壁邊界對于固壁邊界條件，因不存在壁面有抽吸或噴射等情況，所以固壁表面取為無滑移邊界條件。對壁面的k、，可根據(jù)標準壁面函數(shù)法進行取值在旋轉(zhuǎn)坐標系中，計算采用segr

17、egated方法，湍流模型k-,模型中的系數(shù)均采用默認值。數(shù)值模擬及分析3.4數(shù)值模擬基本參數(shù)進行數(shù)值模擬的基本參數(shù)如表3-1所示： 表3-1 數(shù)值模擬的基本參數(shù)參數(shù)值單位流量Q5,6m3/h轉(zhuǎn)速n1450r/min出口角30°葉片數(shù)Z4 3.5數(shù)值模擬結(jié)果分析3.5.1 fluent 計算運用fluent軟件，導(dǎo)入mash文件，定義邊界條件，計算收斂曲線如圖在Q=Q，Q=1.2Q的工況下，收斂曲線圖如圖所示圖3.7 Q=5m3/h 中收斂圖 圖3.8 Q=6m3/h 中收斂圖3.5.2 葉輪內(nèi)部流場的壓力分布圖3.7和3.8示出葉輪中間截面流場的壓力分布圖。從圖3.9和圖3.10可

18、以看出，從進口到出口，示一個靜壓不斷增大的過程。液體水進入泵體后，通過擴散逐步把動能轉(zhuǎn)化為壓能。由于粘性流體和慣性力的作用，隨著半徑增大，壓力逐漸增大。由于轉(zhuǎn)速較高，在進口范圍內(nèi)形成低壓區(qū)，在葉輪出口存在壓力較大的區(qū)域。 圖3.9 Q=5m3/h 中截面靜壓圖 圖3.10 Q=6m3/h 中截面靜壓圖3.5.2 速度分布 圖3.9,3.10所示水泵中間截面的速度分布圖。由圖3.8，3.10可以看出，隨著葉輪圓周直徑的增大，圓周速度增大，則速度隨之增大 圖3.11 Q=5m3/h 中截面速度分布圖 圖3.12 Q=6m3/h 中截面速度分布圖3.5.3水泵揚程和水力效率的預(yù)測3.5.3.1 水泵

19、揚程預(yù)測水泵葉輪帶著液體旋轉(zhuǎn)時把力矩傳給液體，使液體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，從而完成了能量的轉(zhuǎn)換。葉輪就是通過葉片把力矩傳給液體，使液體的能量增加。在模擬計算三維流場的基礎(chǔ)上，通過計算水泵進口面的環(huán)量差和轉(zhuǎn)子的軸功，可求得水泵的實際揚程和水泵的效率【6-7】， 在水泵中，規(guī)定葉輪的揚程出口總水頭與進口總水頭之差，葉輪的揚程，如式所示【1】 (3-1)式中：pD , pS泵出口、進口處液體的靜壓力;vD、 vS泵出口、進口處液體的速度;zD 、zS泵出口、進口到任選的測量基準面的距離。3.5.3.2 水泵的效率預(yù)測葉輪的水力效率，如下式所示 【8】 (3-2)式中：h水力效率；Q水泵的流量M葉片正、

20、背面表面受到的繞Z軸的力矩之和，N·m計算結(jié)果見表3.2表3.2各工況點計算結(jié)果工況點Q=5 m3/hQ=6 m3/h進口壓力pD pa332378354298出口壓力pS pa484414460135 進口速度vD m/s0.871.05 出口速度vS m/s12.1412.18 扭矩 N·m15.8815.07總效率 %4115通過無限葉片和有限葉片公式（第二章）分別計算得出兩個工況點下的理論流量，如表3.3所示。揚程流量、效率流量曲線圖如圖3.13所示。表3.3揚程計算工況點Q=5m3/hQ=6m3/h實際揚程H m3021無限葉片公式計算結(jié)果 m3121有限葉片公式計算結(jié)果 m2815圖3.13 揚程、效率流量曲線圖3.6總結(jié) 1）通過對多個工況點數(shù)值模擬，就可以得到泵的外特性和內(nèi)特性，如果計算更過工況點，就可以繪制出水泵揚程曲線圖，如果計算多個工況點，就可以繪制出水泵的揚程流量曲線和流量效率曲