离心泵叶轮的优化与计算机辅助设计

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1、第一章引言义。1．2论文相关研究的国内外现状离心泵叶轮设计首要任务就是在允许的误差范围内达到规定的设计参数要求，但随着现代设计手段以及设计理论的不断发展和完善，用户对离心泵的设计提出了更高的要求：(1)尽可能高的效率，以便节能；(2)在泵的整个运行范围内，流量—扬程特性应保持稳定，以保证运行的稳定性；(3)在满足稳定性的前提下，所设计的泵的总体尺寸应尽量减小，节省制造成本和减小安装空间；(4)泵在运行中所发生的振动与噪声尽可能小，以便改善工人工作环境；(5)具有良好的汽蚀性能，以便减少维修和延长泵的工作寿命；此外，还希望所设计的泵应具有宽广的高效工作范围、合理的机械结构以及一定的

2、可靠性等等。以上都是设计中应考虑的各种因素。随着设计要求的不断提高，离心泵叶轮的设计方法也在不断进步。目前国内外离心泵叶轮设计的主要方法包括基于相似理论的相似换算法和基于统计规律的速度系数法。．相似换算法又称模型换算法，这种方法的核心即根据设计泵的比转速选择性能良好的模型泵，计算尺寸系数，由此得出设计泵的各个尺寸。这种设计方法原理简单，设计出的离心泵性能较好，是离心泵设计最普遍的方法之一。但是，利用这种方法设计出的离心泵很难超过模型泵的性能，而且当模型泵与实型泵的尺寸相差太大时，会产生尺寸效应，实型泵的流量、扬程以及效率等都会与相似换算值产生较大的差异。速度系数法是根据比速规律进

3、行水力设计的方法，最早由Stcpanoff在统计了大量实验数据后提出【l】。速度系数法的理论基础也是相似理论，但这种方法与相似换算法不同在于相似换算法是建立在一台相似泵基础上的设计，各部分尺寸都需要计算或选定，而速度系数法是建立在一系列相似泵的基础上，利用统计系数来计算泵的各个尺寸，这种方法根据现有的大量优秀模型，通过比转速总结成系数图表完成设计工作的。近来通过对现有的优秀模型进行统计，得出了一些新的统计系数与规律【2】。速度系数法建立在统计的基础上，反映泵的一般工作情况，设计中涉及大量的参数，各种不同的参数组合也可以达到相同的性能，再考虑到其中许多参数的取值范围很大，而且一些参

4、数对泵性能的影响又2第一章引言互相矛盾，因此，按照这种方法确定叶轮参数存在较大的随意性，一般会导致设计工况与最佳工况不一致。由此可以看出，相似换算法和速度系数法都要求设计人员有较丰富的实践经验，同时，由于二者都建立在相似理论的基础上，因此都受到了现有模型和系数的限制，不利于新叶轮的开发。随着计算机技术和叶轮内部流动研究的发展，离心泵叶轮设计得到了重大突破，三维设计方法已经被初步应用，其中最具代表性的就是吴仲华提出的基于两类相对流面的通用理论【31，这是一种准三维的方法。这个理论的基本思想是在流场中取多个相对流面，相对流面分为墨流面和墨流面，通过在两类相对流面之间的迭代计算求得三维

5、流动的流线，从而确定空间流场。这样三维计算问题便转化为两类相对流面上的二维计算问题，降低了对计算能力的要求。在工程中实际应用时，常将墨流面简化为相邻叶片间的中心流面，而箕流面则简化为一组由墨流面上的轴面流线形成的回转面，这种简化的计算称为准三维流动计算。在这个基础上，发展了一系列准三维设计方法。如R．D．Cedar和P．Stow提出的五流面反问题当量源法【4】、流(势)函数法[51、流线曲率法[03以及特征线法[7】等等。此外就是全三维设计方法，但是由于离心泵叶片数一般比较少，流道扩散性较强，易产生脱流，给反问题计算带来了较大的困难，目前的数值计算方法也不是十分完善，因次，三维设

6、计方法更多地停留在科学研究阶段，还没有被广泛应用于实际工程设计中。1．3论文研究的主要内容本文基于二元流动理论，以准正交线法轴面流动计算及逐点积分法为核心，编制了离心泵叶轮的计算机水力设计程序。程序计算摆脱了对模型和系数的依赖，按照给定的参数，可迅速准确地完成叶轮的设计。分析了传统的离心泵叶轮设计过程中存在的一些问题，提出了一些具体有效的改进方法。针对传统的过流断面面积检查方法效率低，精度差等缺点，采用了新的过流断面线的计算方法，该方法可显著提高设计工作的效率，并可精确的计算过流断面面积嘲。按照传统的逐点积分法，不同流线对应的叶片包角往往不一样，考虑到离心泵叶轮进口边与出口边一般

7、在同一轴截面内，本文采用对传统的逐点积分法进行了改进计算方法，应用改进后的方法可方便地对叶片第一章引言包角进行控制。在传统的叶片加厚方法中，通常给定叶片实际厚度的变化规律，根据本文叶轮水力设计方法的特点，这里采用给定叶片圆周方向的厚度在轴面进行加厚，解决了轴面流动计算中排挤系数无法确定的问题。传统的叶片加厚方法通常会导致叶片头部出现尖锐形状的问题，一般采取的办法是叶片加工时进行修圆，这种办法给叶轮的性能带来了不确定的影响，本文采用了在流面的圆柱展开面内进行修圆的方法，取得了良好的