离心泵发展及研究

离心泵发展及研究摘要离心泵是一种通用水力机械，其内部流动情况一直是泵设计人员十分关注的问题，因为泵内流动的优劣直接影响泵的性能。离心泵叶轮的内部流动是很复杂均三维紊流流动，同时由于受旋转和叶片表面曲率的影响还拌有脱流、回流及二次流的现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算问题之一。早在20世纪5O年代，一些专家学者就开始尝试使用数值计算方法来预测叶轮中的流动情况。但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于吴仲华教授的S1、S2两类相对流面理论后，叶轮机械内流数值模拟才得到了迅速发展。迄今为止，国内许多学者已经对离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟进行了研究，也取得了一些成果，但并不理想，也缺少实验验证。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamics)发展很快，许多商用CFD软件应用非常广泛，在离心泵内部流场数值模拟上的应用也日见增多。通过CFD方法对离心泵叶轮内部流动进行数值模拟，了解液流在叶轮过流部件中的速度和压力分布，从而进行叶片的选型、设计和性能预测已成为现代泵技术的重要方法之一。关键词：离心泵；叶轮；数值模拟I目录第1章绪论..............................................................................................................11.1离心泵的发展和应用现状...............................................................................21.2本文的工作.......................................................................................................4第2章离心泵原理及设计方法..................................................................................52.1离心泵及其工作原理.......................................................................................52.2离心泵设计方法概述.....................................................................................122.3离心泵的部件及工作参数.............................................................................16第3章离心泵内部流场的研究方法........................................................................203.1.紊流理论概述................................................................................................203.2无粘性流动数值模拟.....................................................................................213.3分区考虑粘性效应的数值模拟.....................................................................213.4三维粘性数流动值模拟.................................................................................22第4章目前的研究成果............................................................................................264.1目前的一些研究.............................................................................................264.2几种常见离心泵的应用.................................................................................27第5章研究的发展趋势.......................................................................................305.1紊流模型的研究.............................................................................................305.2泵优化设计发展趋势.....................................................................................305.3发展网络生成技术.........................................................................................325.4矢量化及并行算法.........................................................................................33致谢..............................................................................................................................34参考文献........................................................................................................................351第1章绪论在石油天然气的储存和运输工程中，广泛地使用各种管输流体机械，用来增加流体的能量，克服流动阻力，达到沿管路输送的目的。离心泵是一种应用范围十分广泛的通用水力机械，它广泛的应用于给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等等。而且随着现代科学技术的飞速发展其应用范围正在迅速的扩大。随着应用范围的扩大，工作环境也越来越复杂，现代工程技术对泵的性能要求越来越高，传统的基于经验和模型试验相结合的设计方法很难达到这样的设计要求。传统设计方法的一般过程为:设计一样机性能试验检测一制造，这样样品试制和性能检测要经过多次，整个设计也要经过多次重复，显然，传统设计方法的缺点是设计周期长，设计成本高。产品的开发周期长和设计成本高成为离心泵新品开发难以逾越的瓶颈。因此，需要探索新的离心泵设计方法。在传统的泵的研制过程中，一个成功的水力设计模型往往要经过多次反复性能试验模型修改才能完成，随着计算流体动力学在其它行业的成功运用，现在完全有可能采用计算流体动力学(CFD)仿真分析方法来代替性能实验，在计算机上完成初步三维造型设计之后，就可进行流场的校核并预测泵性能，从而缩短产品开发周期和降低成本。此外，据全国流体机械及工程国际学术会议上报告:泵是一种应用广泛、耗能大的通用流体机械，我国每年各种泵的耗电量大约占全国总耗电量的20%,耗油量大约占全国总耗油量的50%。离心泵是各种泵中使用范围最广泛的，而一般的离心泵的整机效率只有50%一60%，我国离心泵的运行效率平均比国外低10%-30%，节电潜力约为300-400亿千瓦时，因此提高泵的性能和效率，将心水泵效率由三部分组成:机械效率、容积效率和水力效率，主要是水力效率比较低，要想提高水力效率，那么离心泵内部流动的精确计算和性能预测是十分重要的。因此急需开展这方面的研究工作。充分利用飞速发展的CFD技术来预测离心泵的性能，查明影响离心泵性能的因素，研究一种新的离心泵设计方法，进一步提高泵的效率，从而从整体上提高它的性价比。21.1离心泵的发展和应用现状1.1.1国内离心泵的发展我国的离心泵是由50年代仿苏产品开始的，当时仅生产K型单级单吸悬臂式离心清水泵和凸型单级双吸两端支承式离心清水泵，主要用于农田排灌。继而沈阳水泵厂又生产一些仿苏石油化工用泵，如DJ.FDJ.，SJ,FSJ，DR,FDR.SR,FSR型油泵以及FL,BN型耐酸泵等。60年代，我国自行设计研制成系列，生产国内自己的离心泵;清水泵方面由K型改成B型，凸型改成SH型等;石油化工方面由DJ、SJ、FSJ.型改为Y型，FL、BN型改为F型;锅炉给水泵方面还生产DH型等，满足国内绝大部分装置的要求。60年代末至70年代，国内生产油泵、耐腐蚀泵不仅是沈阳水泵厂一家，生产Y型油泵扩大到上海水泵厂、长沙水泵厂、长春水泵厂、石家庄水泵厂、北京水泵厂、宝鸡水泵厂等。生产F型耐腐蚀泵的还有大连耐酸泵厂、上海水泵厂、广州重型机器厂、广东佛山水泵厂、天津耐酸泵厂等。80年代，我国相继引进了国外许可证先进技术，既有石油化工用泵，也有清水泵，也有锅炉给水泵，还有泵用机械密封。通过引起技术的消化吸收，80年代末一90年代初，沈阳水泵厂利用国外先进技术改造了原Y型油泵为AY型油泵。沈阳水泵研究所组织重新设计了IH型替代F型耐腐蚀泵，沈阳水泵厂又重新设计了AF型泵准备替代IH型化工泵，从可靠性和效率等方面均优于IH型泵。通过移植、设计、试制及生产了国产加氢进料泵、焦化进料泵及除焦、除鳞等大型泵，到目前为止，国内所生产的离心泵是型式多样、品种齐全、门类繁多，遍及到从民用到国防，从农业到工业乃至核工业，从山区到平原，从水上到陆地，乃至天空，无处不有。总之，国内目前可为l00万kW火力发电机组，500万t/a炼厂、2000万t/a输油管线，30万t/a合成氨、200万t/a加氢、100万t/a延迟焦化等装置提供国内的泵类产品。国内已生产的离心泵的最大流量大于20000m'j/h，最高扬程2800m，最高输送温度400℃，最大驱动功率10000kW，最高吸入压力达17.SMPa。离心泵是量大面广的产品，进入市场经济后，国内几个大泵厂家都在积极开发自己的泵系列，尽量去满足市场的需要。沈阳水泵厂是国内最大的泵类专业厂，已被国务院批准为重大技术装备国产化基地，也被国家经贸委批准为机电产品出口基地企业和电站装备国产化基地企业，属于综合性的泵厂家，代表了国内泵技术水平。生产的泵类产品，不仅结构型式多，而且品种规格也齐全。国内不少高精技术泵产品均由沈阳水泵厂制造，如军工用泵、核电用泵、大型锅炉给水泵、焦化进料泵、除焦泵、高速切线泵等。为了满足需要，泵的结构型式、品种和产量都在不断增加，质量和可靠性也都在3不断提高，泵厂数量和规模也在逐渐扩大，使用范围也日益广泛。从泵的类型来看，目前离心泵的基本结构己发展得比较完善，当前设计方面更多地趋向于设计生产具体工况条件下的专用泵，即所谓工程专用泵。总之，当前国内离心泵的技术水平通过几十年的发展以及许可证技术引进，从综合技术水平来看，单两级泵方面都具有国际先进水平，与国外同类型泵相比无差距，有些地方还是国际一流水平，如可靠性、效率、通用化程度等。而高温高压多级泵在结构型式、可靠性方面已达到国际同类型水平，国内起步较晚，引进技术，消化吸收，从89年、90年开始生产高技术水平泵，逐步开发完善，并替代进口。与国外