两类超低比转速离心泵的数值分析及优化设计

【摘要】超低比转速离心泵在水力性能方面一直存在着3大问题,即：扬程-流量曲线易出现驼峰、大流量区运行易过载、效率较低等。这主要是设计方法上存在缺陷,本文在全面总结超低比转速离心泵设计方法的基础上,综合各种设计方法的优缺点,提出了超低比转数离心泵优化设计方法,即在其他关键几何参数不变的情况下,减小叶片出口排挤系数ψ2(表现为堵塞叶轮流道)实现乘式D2b2ψ2tanβ2合理减小,以达到高效、无驼峰、无过载三者兼顾。以常规超低比转数离心泵水力模型M12.5-23为例,通过对CFD流动理论的分析,确定了针对M12.5-23的数值模拟方案,在带泵腔的完整区域下进行全工况数值模拟,结果发现：完整区域下,性能预测曲线与实验曲线吻合度较好。因此,对于超低比转速离心泵的数值模拟,计算区域不能忽略泵腔。按照水力设计优化方法,以M12.5-23为例,在保证叶轮出进口面积比A2/A1递进减小的前提下建立7个改进模型,并进行全工况数值模拟,结果显示：发现7个改进模型下扬程、轴功率均有不同程度的下降,效率均有所上升；选取面积比为0.8、1.0两个改进模型和原模型为代表,对内部流场进行对比分析发现：随着叶轮流道的进一步收窄,流道内部轴向漩涡减小,水力损失变小；由于流道收窄后出口绝对速度增大,使得叶顶间隙附近漩涡增强,水力损失增大。以部分流泵水力模型QXB130-7作为特殊泵型的代表,按照递进原则设计出8种改进模型,并进行全工况下数值模拟实验,结果显示：当改进模型的面积比小于1.2时,扬程-流量曲线出现了驼峰,这是由于在对部分流泵直叶片加厚时,减小叶轮出口排挤系数ψ2的同时,叶片出口安放角随之变大,必然会产生驼峰,轴功率和效率的预测结果与常规泵型相类似；同样选取面积比为0.8、1.0两个改进模型和原模型为代表分析内流场,结果显示：两个改进模型叶轮流道内轴向漩涡面积减小,但强度始终很大；隔舌附近的冲击损失非常大;随着流量的增加,蜗室出口的右侧的断流情况明显减少,大流量下流场趋于均匀稳定。以离心泵面积比原理及相关理论为基础,本文建立了超低比转数离心泵叶轮与蜗室匹配关系的数学模型。以M12.5-23为例,基于遗传算法并借助Matlab软件,对该泵进行优化设计,获取优化的设计参数。通过数值模拟验证发现：在设计工况下,与原模型及面积比为0.9的改进模型相比,优化后的模型在性能方面有所改善,尤其是扬程提高幅度较大；静压分布更加均匀,轴向漩涡更小。
【作者】关天乙；
【导师】杨从新；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】超低比转速离心泵；效率；驼峰；无过载性；排挤系数；优化设计；

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