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离心泵水力设计的研究


       1、国内水力模型的开发

  离心式化工泵的水力模型设计方法基本上参考了普通离心泵,因此相关技术进展与普通离心泵基本保持一致。在离心泵内部流动状态还没有被人们全面认识和掌握之前,完整准确的设计理论还没形成,而离心泵技术长期作为一门半理论半经验的技术,一次成功的水力模型设计往往要经过反复修改和试验才能完成。技术人员在设计新产品时,大多只能寻找比转速相等或相近的水力模型进行相似换算,因此水力模型在新产品设计工作中就显得非常重要。
  20世纪70年代和80年代,沈阳水泵研究所、中国农业机械研究院、博山水泵厂、中国农业大学等单位在离心泵水力模型开发方面开展了很多工作,积累了许多优秀的水力模型。并且由沈阳水泵研究所负责组织并陆续出版了两期“离心泵水力模型汇编”为国内各企业的离心泵水力模型设计提供了丰富的模型库。
  2、传统水力设计方法
  2.1、相似换算法
  相似换算法是建立在相似理论基础上的一种方法,通过在一台模型泵的基础上对相似模型泵的尺寸进行放大或缩小来得到所要设计的泵尺寸。对完全相似的泵来说,比转速相等。在相似工况下,假设实型泵和模型泵的效率相等,已知一台泵的几何形状和性能参数,利用相似定律,按照比例放大或缩小为另一台几何相似的泵,并换算出相应的性能曲线。这种设计方法要求要有一个水力模型库。
  2.2、速度系数法
  速度系数法是以速度系数图来进行设计的。实质上,它仍然是基于相似理论基础的一种相似换算法,它同样要求有好的泵模型,设计时按n选取速度系数,并作为水力尺寸的依据。它们的各项系数都是在比转速大于或等于30r/min的情况下取得的,也就限制了它们用于较低比速和超低比速离心泵的设计。目前已有不少人对这种图进行了改进,并用此方法进行泵的设计和优化。
  2.3、面积比原理设计法
  面积比设计法是根据Anderson的面积比原理进行设计的,即用面积比绘制扬程系数和流量系数的形式来修正标准化的设计数据。其目的是根据不同的设计要求寻找最佳的叶轮和泵体匹配;其依据是不同的叶轮和泵体匹配将产生不同的泵性能;其实质是将叶轮和泵体作为一个整体来系统考虑;其方法是综合考虑设计参数、经济性、工艺性和可靠性等的优化设计。
  2.4、加大流量设计法
  加大流量设计法依据低比速泵在小流量范围内运行时,效率随流量的增加而迅速提高,并将给定流量和比转速放大作为设计参数来设计一台较大的泵在小流量处作小泵使用。这样的泵不仅在设计点处效率有较大提高,而且在整个使用范围内平均效率均有一定程度的提高。
  2.5、短叶片偏置法
  短叶片偏置设计的目的是为了改善离心泵叶轮和泵体内的速度与压力分布,以提高泵的性能。其依据是叶轮内速度和压力分布随叶轮流道形状和叶片形状而变化;其方法是综合考虑设计工况和流道几何形状及其工艺性的优化设计;其主要措施是在两相邻长叶片中间设置超短叶片,并向长叶片背面偏置;其不良后果是可能带来铸造工艺的困难。
  3、水力设计进展
  目前基于经验数据和设计理论的一元设计理论已经相当成熟,一元设计理论也是当前普遍采用的设计理论,而人们在设计过程中也已经积累了很多优秀的水力模型。因此对于普通化工泵产品,设计者已经能够设计出一些水力性能比较优秀的模型,并能较好的满足用户的使用要求。
  离心泵内部流动是一个全三维的复杂流动,普通设计人员对于内部流动特性的了解比较有限,而对于一些特殊用途的离心泵,采用一元设计理论设计的水力模型并不能完全满足要求。因此,优化设计也随之出现。开始阶段,它是在基于经验的一元设计基础上,采用优化设计理论,以某些参数为目标对水力模型和结构参数进行优化来获得较好的水力性能,在优化设计过程中相应出现了性能预测和流动分析问题。对于水力旋转机械的流动分析和性能预测,目前已经开始大量应用计算流体动力学(CFD)技术进行全流场的三维数值模拟,基于流场模拟预测性能,改进不利于性能提高的流动结构,改善叶片负荷,提高效率。通过多年的发展,这类方法能够较好的用于离心泵的工程设计和优化。
  基于内流场三维流动模拟的离心泵优化设计将是一个重要手段,正在成为离心泵设计过程中的关键步骤。其与反问题设计技术相互配,并且与CAD技术、CAM技术、人工智能技术等结合,能够实现高效水力模型的快速、智能化设计和制造。
  基于应用需求和发展离心泵技术的需要,并且依赖于计算机、计算流体力学以及计算机辅助设计等领域的技术发展,人们已经在一元设计方法的改进、优化设计和内部流动数值模拟等方面开展了诸多工作,其中包括国外较为先进的CAD/CAF交互设计技术,使得离心泵的设计逐步从一元流设计向三元流设计方向发展。这些工作促进了离心泵设计理论的发展,使得包括离心式化工泵在内的许多离心泵的水力性能得到了明显提高。