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離心泵水力設計的研究


       1、國內水力模型的開發

  離心式化工泵的水力模型設計方法基本上參考了普通離心泵,因此相關技術進展與普通離心泵基本保持一致。在離心泵內部流動狀態還沒有被人們全面認識和掌握之前,完整準確的設計理論還沒形成,而離心泵技術長期作為一門半理論半經驗的技術,一次成功的水力模型設計往往要經過反復修改和試驗才能完成。技術人員在設計新產品時,大多只能尋找比轉速相等或相近的水力模型進行相似換算,因此水力模型在新產品設計工作中就顯得非常重要。
  20世紀70年代和80年代,沈陽水泵研究所、中國農業機械研究院、博山水泵廠、中國農業大學等單位在離心泵水力模型開發方面開展了很多工作,積累了許多優秀的水力模型。并且由沈陽水泵研究所負責組織并陸續出版了兩期“離心泵水力模型匯編”為國內各企業的離心泵水力模型設計提供了豐富的模型庫。
  2、傳統水力設計方法
  2.1、相似換算法
  相似換算法是建立在相似理論基礎上的一種方法,通過在一臺模型泵的基礎上對相似模型泵的尺寸進行放大或縮小來得到所要設計的泵尺寸。對完全相似的泵來說,比轉速相等。在相似工況下,假設實型泵和模型泵的效率相等,已知一臺泵的幾何形狀和性能參數,利用相似定律,按照比例放大或縮小為另一臺幾何相似的泵,并換算出相應的性能曲線。這種設計方法要求要有一個水力模型庫。
  2.2、速度系數法
  速度系數法是以速度系數圖來進行設計的。實質上,它仍然是基于相似理論基礎的一種相似換算法,它同樣要求有好的泵模型,設計時按n選取速度系數,并作為水力尺寸的依據。它們的各項系數都是在比轉速大于或等于30r/min的情況下取得的,也就限制了它們用于較低比速和超低比速離心泵的設計。目前已有不少人對這種圖進行了改進,并用此方法進行泵的設計和優化。
  2.3、面積比原理設計法
  面積比設計法是根據Anderson的面積比原理進行設計的,即用面積比繪制揚程系數和流量系數的形式來修正標準化的設計數據。其目的是根據不同的設計要求尋找最佳的葉輪和泵體匹配;其依據是不同的葉輪和泵體匹配將產生不同的泵性能;其實質是將葉輪和泵體作為一個整體來系統考慮;其方法是綜合考慮設計參數、經濟性、工藝性和可靠性等的優化設計。
  2.4、加大流量設計法
  加大流量設計法依據低比速泵在小流量范圍內運行時,效率隨流量的增加而迅速提高,并將給定流量和比轉速放大作為設計參數來設計一臺較大的泵在小流量處作小泵使用。這樣的泵不僅在設計點處效率有較大提高,而且在整個使用范圍內平均效率均有一定程度的提高。
  2.5、短葉片偏置法
  短葉片偏置設計的目的是為了改善離心泵葉輪和泵體內的速度與壓力分布,以提高泵的性能。其依據是葉輪內速度和壓力分布隨葉輪流道形狀和葉片形狀而變化;其方法是綜合考慮設計工況和流道幾何形狀及其工藝性的優化設計;其主要措施是在兩相鄰長葉片中間設置超短葉片,并向長葉片背面偏置;其不良后果是可能帶來鑄造工藝的困難。
  3、水力設計進展
  目前基于經驗數據和設計理論的一元設計理論已經相當成熟,一元設計理論也是當前普遍采用的設計理論,而人們在設計過程中也已經積累了很多優秀的水力模型。因此對于普通化工泵產品,設計者已經能夠設計出一些水力性能比較優秀的模型,并能較好的滿足用戶的使用要求。
  離心泵內部流動是一個全三維的復雜流動,普通設計人員對于內部流動特性的了解比較有限,而對于一些特殊用途的離心泵,采用一元設計理論設計的水力模型并不能完全滿足要求。因此,優化設計也隨之出現。開始階段,它是在基于經驗的一元設計基礎上,采用優化設計理論,以某些參數為目標對水力模型和結構參數進行優化來獲得較好的水力性能,在優化設計過程中相應出現了性能預測和流動分析問題。對于水力旋轉機械的流動分析和性能預測,目前已經開始大量應用計算流體動力學(CFD)技術進行全流場的三維數值模擬,基于流場模擬預測性能,改進不利于性能提高的流動結構,改善葉片負荷,提高效率。通過多年的發展,這類方法能夠較好的用于離心泵的工程設計和優化。
  基于內流場三維流動模擬的離心泵優化設計將是一個重要手段,正在成為離心泵設計過程中的關鍵步驟。其與反問題設計技術相互配,并且與CAD技術、CAM技術、人工智能技術等結合,能夠實現高效水力模型的快速、智能化設計和制造。
  基于應用需求和發展離心泵技術的需要,并且依賴于計算機、計算流體力學以及計算機輔助設計等領域的技術發展,人們已經在一元設計方法的改進、優化設計和內部流動數值模擬等方面開展了諸多工作,其中包括國外較為先進的CAD/CAF交互設計技術,使得離心泵的設計逐步從一元流設計向三元流設計方向發展。這些工作促進了離心泵設計理論的發展,使得包括離心式化工泵在內的許多離心泵的水力性能得到了明顯提高。
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