学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

不锈钢冲压焊接离心泵能量转换特性与设计方法

作 者: 张翔
导 师: 周君亮
学 校: 江苏大学
专 业: 流体机械及工程
关键词: 离心泵 冲压焊接 能量转换 水力设计 涡结构 流动分离
分类号: TH311
类 型: 博士论文
年 份: 2011年
下 载: 107次
引 用: 0次
阅 读: 论文下载
 

内容摘要


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。

全文目录


摘要  6-9
Abstract  9-17
第一章 绪论  17-33
  1.1 研究背景、目的及意义  17-21
  1.2 国内外研究进展  21-31
    1.2.1 离心泵内部流动结构与机理  22-27
    1.2.2 离心泵能量转换特性  27-29
    1.2.3 离心泵设计方法  29-31
  1.3 本文主要研究内容  31-33
第二章 不锈钢冲压焊接离心泵内部流动计算  33-45
  2.1 离心泵外特性计算与实验验证  33-36
    2.1.1 计算模型  33-34
    2.1.2 计算策略  34-35
    2.1.3 计算结果  35-36
  2.2 研究模型的改造  36-42
    2.2.1 模型介绍  36-38
    2.2.2 定常计算  38
    2.2.3 非定常计算  38-42
  2.3 本章小结  42-45
第三章 不锈钢冲压焊接离心泵内部流动诊断  45-87
  3.1 离心泵内涡结构辨识  45-64
    3.1.1 基于特征的可视化技术  46-48
    3.1.2 涡结构辨识策略  48-49
    3.1.3 涡结构辨识结果  49-64
  3.2 叶轮内的流动分离  64-86
    3.2.1 流动分离理论概述  64-65
    3.2.2 流动分离的判据  65-69
    3.2.3 叶轮内流动分离诊断结果  69-86
  3.3 本章小结  86-87
第四章 不锈钢冲压焊接离心泵能量转换特性  87-137
  4.1 三维定常流动的能量转换特性  87-101
    4.1.1 叶轮做功过程  87-92
    4.1.2 叶轮内能量损失过程  92-97
    4.1.3 蜗壳内能量转换过程  97-101
  4.2 三维非定常流动的能量转换特性  101-134
    4.2.1 叶轮流道的外特性  101-109
    4.2.2 叶轮流道的内特性  109-120
    4.2.3 蜗壳内能量转换过程  120-134
  4.3 本章小结  134-137
第五章 不锈钢冲压焊接离心泵水力设计方法  137-185
  5.1 蜗壳内的能量转换关系  137-144
    5.1.1 蜗壳内的动量矩守恒  137-139
    5.1.2 离心泵扬程的计算  139-144
  5.2 叶轮几何参数对离心泵性能的影响  144-162
    5.2.1 叶片包角的影响  144-151
    5.2.2 叶轮轴面投影形状的影响  151-158
    5.2.3 叶轮出口流体运动状态的计算  158-160
    5.2.4 外特性的计算与验证  160-162
  5.3 离心泵几何参数的确定  162-168
    5.3.1 主要几何参数的筛选  162-163
    5.3.2 主要几何参数的优化  163-168
  5.4 叶片绘型方法  168-173
    5.4.1 叶片绘型方法概述  169
    5.4.2 叶片绘型的算法  169-171
    5.4.3 叶片绘型的实现  171-173
  5.5 应用实例与验证  173-182
    5.5.1 水力设计流程  173-174
    5.5.2 标准泵XST40-200/75的设计  174-177
    5.5.3 标准泵XST40-250/150的设计  177-179
    5.5.4 标准泵XST50-250/220的设计  179-182
  5.6 本章小结  182-185
第六章 总结与展望  185-189
  6.1 主要研究成果  185-187
  6.2 主要创新点  187
  6.3 研究工作展望  187-189
参考文献  189-205
致谢  205-207
在学期间发表的学术论文及其他科研成果  207-208

相似论文

  1. 附面层抽吸对扩压叶栅气动性能影响的数值研究,TH453
  2. 缝隙式扩压叶栅流动机理研究,TK474.8
  3. 高超声速非平衡流粘性相互作用研究,V411.4
  4. 基于RCM理论下精细化工厂重要设备的维护研究,TH186
  5. 无源超高频射频识别标签芯片射频前端的研究与设计,TP391.44
  6. 基于化学链的能量转换系统的Aspen仿真,TK16
  7. 200米水头段混流式水轮机复合转轮水力模型方案开发研究,TK733.1
  8. 轴流式水轮机蜗壳不均匀出流对机组稳定性的影响,TK733.3
  9. 水流量标准装置变频加容器稳压系统研究,TH814
  10. 离心泵内部三维流场数值模拟研究,TB126
  11. 离心泵直锥形吸水室的内流特性分析及其结构研究,TH311
  12. 150S-50双吸离心泵内流场数值模拟及性能优化,TH311
  13. 用于太阳能电池的窄带隙共轭聚合物的合成与性能研究,O631.3
  14. 基于两相流的多级离心泵汽蚀性能分析,TH311
  15. 轻烃外输泵叶轮内部流场的CFD模拟研究,TH311
  16. 基于CFD的带分流叶片离心泵内部流场及性能研究,TH311
  17. 离心水泵的优化设计及其仿真,TH311
  18. 具有D-A结构的有机聚合物光伏材料的合成及在光伏领域中的应用,TQ320.7
  19. 基于半解析砰击理论的棱柱形滑行艇“海豚运动”发生界限研究,U661
  20. Q25H52电液循环泵的研制,TH311
  21. 宽光谱有机材料的合成及光伏性质研究,TM914.4

中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > > 叶片式泵 > 离心泵
© 2012 www.xueweilunwen.com