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《江苏大学》 2011年
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不锈钢冲压焊接离心泵能量转换特性与设计方法

张翔  
【摘要】:随着不锈钢板冲压和焊接工艺的发展和成熟,采用冲焊工艺制造的不锈钢冲压焊接离心泵逐渐以节能、节材、环保的冲焊生产方式取代耗能高、污染重的铸造生产方式,发展成为符合低碳经济发展模式的新型离心泵型式,并以低成本、高性能的优势成为诸多领域铸造泵的换代产品。 制造工艺的变革与迅猛发展对离心泵水力设计提出了新的挑战,突出表现在(1)现有设计资料不完全适用于新工艺;(2)现有设计理论未能充分发挥新工艺的优势;(3)市场多元化、个性化发展提出的新要求。针对这些问题,本文通过对不锈钢冲压焊接离心泵能量转换特性进行研究,提出了能够实现多重设计目标的不锈钢冲压焊接离心泵水力设计方法。 本文研究遵循从内部流动结构与机理中寻找规律,在流动规律上探讨能量转换特性,以能量转换特性为基础摸索设计方法的思路,主要研究内容分为3个部分: 1.不锈钢冲压焊接离心泵内部流动诊断 首先,利用正则化螺旋度法提取流场内流向涡结构,探讨了不锈钢冲压焊接离心泵内流体的流向运动特征。研究表明,进口段内存在涡核位置偏离中心轴线的诱导旋涡;叶轮内,在(0.6~1.4)Qd工况,流向涡主要是慢速旋转的曲线涡,且聚集不充分,对离心泵性能影响较弱;蜗壳内,由一对逆向旋转的对称涡占据,在大流量工况,扩散段内存在显著的二次涡并伴随有旋涡破裂现象,引起能量损失增加。 然后,利用基于边界涡量动力学的三维流动分离理论研究了叶轮内的定常流动分离状况。针对叶轮内部流动主要以相对速度表示的特点,推导出了关键物理量——壁面涡通量(BVF)在旋转坐标系下的表达式。研究发现,离心力是除压力梯度外另一个BVF的重要来源。在不锈钢冲压焊接离心泵叶轮的绝大部分区域内,大尺度流动分离发生的几率很低,流动基本呈现出“规则”的状态。 2.不锈钢冲压焊接离心泵能量转换特性 基于数值模拟技术,通过对叶轮各区域的轴功率分布、不同径向位置功率变化及径向断面功率密度分布特点、耗散率、近壁区和流动核心区水力损失等能量特征的分析,对叶轮内流体能量传递与变化过程、叶轮对流体做功的时空分布特点、水力损失的成分构成与分布规律等能量转换特性进行了研究。结果表明,叶轮出口喉部前的实际流道是能量转换的关键区域,流体的大部分能量在此区域获得;叶轮内水力损失的主要成分是壁面摩擦损失,集中分布在叶片吸力面侧和叶轮出口附近。研究还发现,在非定常状态下单个叶轮流道能量瞬态输入输出总量不一致。基于流体力学基本方程推导出能够在现有CFD数据集下求解的动能变化率和动能密度变化率的计算式,展现了流道内能量变化的时空分布特点,也解释了能量转换的非定常特性。 在定常和非定常状态下,对蜗壳内动静压能相互转化的空间分布与强度特点、能量沿流向变化规律等能量转换特性进行了研究,并利用动量矩守恒定理揭示了蜗壳内静压周向分布不均的成因,认为蜗壳内压力沿周向的不均匀分布是断面大小不可变的蜗壳之固有属性,同时也是导致不锈钢冲压焊接离心泵能量转换呈现出不稳定波动特性的根本原因。 3.不锈钢冲压焊接离心泵水力设计方法 首先,将离心泵扬程分为动扬程和静扬程分别计算,基于能量转换关系,提出了有别于估算水力损失的离心泵扬程理论计算方法。通过与7台比转数介于32~163的离心泵实验结果对比,证明理论计算结果与实验结果吻合良好,计算方法可靠。 其次,针对目前叶轮设计中进出口参数确定后轴向和周向流道绘型不唯一的情况,结合能量转换特性的研究成果和不锈钢冲压焊接工艺的特点,分别探讨了叶片包角和叶轮轴面投影形状对离心泵性能的影响。提出了叶轮出口喉部叶片平均安放角β12、等效叶轮出口宽度be2的概念以及β12、be2和出口滑移系数σ的计算方法并以此求解叶轮出口速度三角形。将新的计算方法与之前提出的离心泵扬程理论计算方法相结合,正确预测了叶片包角和叶轮轴面投影形状变化对离心泵外特性的影响。 然后,以独立性为原则筛选出5个参数,叶轮外径D2、叶轮出口喉部平均叶片安放角β12、叶轮等效出口宽度be2、滑移系数σ、蜗壳喉部面积A1作为水力设计主要参数,建立了主要参数与不锈钢冲压焊接离心泵外特性间的函数关系。将多重设计目标分解量化为约束条件,并利用最优化算法求解水力设计主要参数。基于5次Hermite插值函数,建立了一种能够满足本文设计方法要求的叶片绘型方法,完成了实现多重设计目标的不锈钢冲压焊接离心泵水力设计方法。 最后,应用本文提出的水力设计方法对三个型号具有多重设计目标要求的不锈钢冲压焊接离心泵进行了设计。通过最终产品的性能实验,证明了本文提出的设计方法达到了预期效果,并且性能良好。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH311

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