[发明专利]获得离心泵蜗壳的高效低噪叶轮方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体机械的设计制备方法，尤其是获得离心泵蜗壳的高效低噪叶轮方法。

背景技术

离心泵叶轮的设计是提高泵性能的关键，它伴随着泵设计发展的整个过程，国内外众多学者和研究机构对叶轮的设计理论、内部的流场结构和能量损失机理进行了深入广泛的研究，为提高设计水平做出了不懈的努力。在一些假设条件下，Euler推得了著名的叶片泵欧拉方程，建立了泵的理论扬程与流动参数之间的定量关系，作为泵设计的基础一直沿用至今。Lorenz根据流体工作场的概念提出了二元流动理论，虽然它较一元理论更为科学，但仅适用于设计高比转速混流泵叶轮。我国学者吴仲华提出了著名的两类相对流面的普遍理论，把复杂的三元流动问题分解成两类二元流动问题来求解，对基于三元流动的叶轮设计作出了历史性的奠基工作。

在内部流场测试方面，20世纪50年代以前，限于流动测量技术，人们对泵内部的真实流动情况知之甚少。Paone等人最早采用PIV研究叶轮内部流动，他们测量了叶片间流道内的流场，描述了旋转叶轮叶片附近尾迹的性质。Akin和Rockwell在旋转装置上采用PIV研究了模型叶轮中的尾迹及其与静止扩散叶片的动静交互作用，并用瞬态流线模型和涡量云图描述了流动分离和附着现象。Hayami等人采用与叶轮一起旋转的CCD在30r·min^-1的转速下拍摄了模型叶轮流道内的流动，直接获得了叶轮流道内的相对速度，研究了叶轮内部流动的时空变化。Eisele等人采用粒子跟踪测速技术对有叶扩压器内部流动进行了研究，发现了几种不稳定流动现象，如：流道内的流动分离、部分载荷条件下的从扩压器到叶轮间的循环回流。Sinha等人采用PIV研究了离心泵叶轮和有叶扩压器之间的动静交互作用，讨论了流动结构和湍流模型等问题。Oldenburg和Pap采用PIV测量了特制的二维离心泵叶轮和蜗壳内的流动，获得了三个不同叶轮相对于蜗舌位置时中面上的数据，结果表明，非设计工况下流体不沿叶片方向流动，不符合势流模型。近年来，国内科研人员也相继开展了离心泵内部流动的试验研究。1990年，李世煌用示踪粒子配合高速摄影法测量了离心泵蜗壳内隔舌附近的流动，指出低比速离心泵H-Q曲线出现驼峰的内在原因之一是隔舌附近有回流区存在，应减小隔舌螺旋角以利于消除驼峰。2006年，袁寿其等人采用PIV技术对不同工况下带分流叶片的离心式水泵叶轮内部流场进行了测量，获得了不同工况下叶轮内的流速分布规律，揭示了直接影响带分流叶片离心泵性能的多种流动现象，为研发高效叶轮积累了基础数据。2008年，邵春雷等人采用PIV技术和FLUENT软件对离心泵内部定常和非定常流场进行了研究，提出了针对不同流动状态采用不同测量模式和不同耦合模型研究离心泵内部流动的方法，为高效叶轮的开发提供了试验和模拟的方法。邵春雷等人还对离心泵的设计方法进行了研究，提出了基于实例的离心泵动态虚拟设计方法。

在流动数值研究方面，70年代，无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续应用于泵产品设计中。80年代，出现了边界层-势流迭代法，该方法将泵内部流场分成靠近壁面的边界层和远离壁面的势流区两个区域，综合考虑了叶轮内流的粘性、回流及旋涡对内部流动的影响。90年代，随着计算机技术的迅速发展，基于求解全三维Navier-Stokes方程的数值模拟方法开始在泵内部流动研究中得到应用。目前，数值研究方法已由无粘性发展到粘性，由二维、准三维发展到全三维，广为应用于泵内部流动的研究。Majidi等和钱健利用CFX软件基于标准k-ε湍流模型，对离心泵叶轮内部流动进行了三维数值模拟。袁寿其等利用FLUENT软件基于修正的k-ε湍流模型，对带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压缩湍流场进行了模拟。Delgosha等利用NUMECA软件基于Baldwin-Lomax两层代数湍流模型，对汽蚀状态的两维弯曲叶片的离心泵叶轮进行了试验和数值模拟研究，数值模拟和试验结果非常吻合。於娟等人采用FLUENT软件研究了离心泵内部流动，建立了低比转速离心泵的多目标优化设计方法，以提高离心泵的效率和汽蚀余量为目标函数，对IS80-50-315型离心泵的叶轮进行了优化。国内许多科研单位和高校都开展了相关的研究工作，如：沈阳水泵研究所、江苏大学、扬州大学、清华大学和南京工业大学等。