泵技术进展与发展趋势
发布时间：2022-01-25 02:52
泵作为一种典型的水力机械,在国民经济中扮演着重要的角色,其技术进展一直受到多个行业的关注。在各种应用需求的驱动以及材料、力学、信息和计算机等相关学科的带动下,泵理论和技术研究已取得巨大进展。人们对泵内流机理和运行特性的认识更为深入,数字化设计和信息化运维已得到广泛应用,泵产品已逐步具有生态友好和智能化特征。本文以2000年以来泵领域所取得的进展为重点,围绕旋涡泵、离心泵、混流泵、轴流泵和贯流泵等叶片式泵,从产品应用需求出发,针对泵的水动力学、设计技术、振动噪声、节能与运维技术等四个部分对技术进展进行综述,并对泵的发展趋势进行总结和展望。
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
1 常规设计逻辑与反问题优化设计逻辑对比[61]
另一方面，当前的水力设计已不仅仅关注于扬程、效率和抗空化性能指标，对泵的全流量特性和泵内水力激振的研究也逐渐成为关注重点，并开始形成了一些有关无过载水力设计和低振动低噪声水力设计准则。低比速离心泵由于轴功率随流量增加而不断上升，在大流量、低扬程工况运行时常因过载而烧坏原动机。为了改善离心泵全工况功率曲线，袁寿其在对离心泵轴功率特性研究的基础上，首次提出无过载设计理念，系统地推导了无过载离心泵设计的原则，并通过试验和数值模拟，从叶片出口角、叶片包角和叶片数等参数的设计和选择方面出发，给出了无过载设计的基本准则[65-66]。此外，为减小泵的振动噪声，叶轮进出口宽度、基圆比、叶片数、蜗壳和导叶数等整体参数的优化选取在初步设计阶段用于抑制泵内水力激振，并且叶片尾缘修型、叶片出口边倾斜、优化叶片加载方式、优化蜗壳形状等措施也被证明在减小流体激励方面具有效果[67-68]。除此之外，人们尝试建立叶轮激振力、叶片载荷、几何参数之间的联系，以实现泵的低振动设计。吴大转等通过叶轮内局部欧拉扬程来表征泵内能量分布与增长特性[69]，并将其与叶轮非定常激振力进行关联，在此基础上提出了叶轮出口段圆周方向能量均匀化设计方法，并且通过叶片尾缘修型和压力面局部增厚等具体实施途径，进一步根据厚度分布优化得到具有类似于翼型叶片的结构，在多个泵设计工程实践中取得显著的减振效果，初步形成了泵低激振力叶型设计方法[70]，其中新型叶片和常规叶片的局部欧拉扬程分布的比较结果如图12所示。结构设计是泵设计的另一个主要内容。本世纪泵结构设计的进展更多体现在结构分析能力的显著提升上，基于有限元平台的结构强度分析、机械动力学分析及温度场分析已被广泛用于泵的设计过程[71]，并且全三维设计已用于泵制造企业，部分零部件三维设计还直接与制造过程对接，实现了数字化的设计与制造[62]，图13所示为日本荏原公司展示的数字化泵设计技术路线。具体结构形式创新方面，虽然泵的基本结构形式自本世纪以来没有发生根本变化，但一些新技术和新需求依然促进部分结构和材料技术的创新。其中，高速泵是一个典型代表，高速泵在上世纪就作为一种转化自航天技术的泵型，和磁力泵和屏蔽泵一样广受行业关注，但其发展受到了轴承、密封和电机技术的制约。
结构固有特性和振动传递特性是泵振动噪声研究需要关注的另一重要工作。为了避免与泵的旋转频率发生共振，结构固有频率和模态分析已大量用于复杂泵机组的校核与改进设计，尤其在低振动低噪声泵的设计过程中，改变结构模态和振动传递特性成为优化设计的重要内容[80]。同时，转子的临界转速计算也是泵设计必不可少的环节，但对于多级泵，如图16所示，“湿转子”分析是临界转速计算的重点[81]；而对于带齿轮箱的大型泵组，扭转振动分析已成为标准规定的内容。目前，ANSYS等大型有限元分析软件已经能够完成精细化的泵结构固有特性和振动传递特性分析，相关分析校核已经成为高品质泵设计过程的组成部分。5 泵的节能与运维技术研究进展
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高空化性能的对转泵喷推进器设计[J]. 胡雷俊,曹琳琳,车邦祥,吴大转. 工程热物理学报. 2017(09)
[2]燃油系统旋涡泵压力脉动的控制研究[J]. 张露,武鹏,吴大转,洪伟荣. 工程设计学报. 2017(04)
[3]用于离心泵的双层转子结构无轴承永磁薄片电机[J]. 朱熀秋,倪寅坤. 微特电机. 2017(03)
[4]轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化[J]. 夏水晶,袁建平,孙潇,周帮伦,李彦军. 排灌机械工程学报. 2016(07)
[5]侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证[J]. 张帆,Martin Bhle,裴吉,袁寿其,Annika Fleder. 农业工程学报. 2015(10)
[6]旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应[J]. 周佩剑,王福军,姚志峰. 农业工程学报. 2015(07)
[7]基于数字化软件系统的离心泵叶轮水力设计及性能对比分析[J]. 金永鑫,宋文武,徐耀刚. 热能动力工程. 2015(02)
[8]牛栏江-滇池补水工程高扬程大功率离心式水泵科研与设计[J]. 游超,徐宏光,宫让勤,吴喜东. 大电机技术. 2014(06)
[9]Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes[J]. 肖业祥,王正伟,张瑾,罗永要. Journal of Hydrodynamics. 2014(02)
[10]大功率高压多级离心转子动力学分析[J]. 平仕良,吴大转,谭善光,王乐勤. 工程热物理学报. 2010(07)
博士论文
[1]涡轮泵及诱导轮流动不稳定性及空化特性研究[D]. 付燕霞.江苏大学 2014
[2]离心泵等效载荷识别分析及减振研究[D]. 率志君.哈尔滨工程大学 2013
[3]环形密封和多级转子系统耦合动力学数值及实验研究[D]. 蒋庆磊.浙江大学 2012
硕士论文
[1]振动法在离心泵空化诊断中的应用研究[D]. 冯光伟.浙江理工大学 2018
[2]泵系统节能项目合同能源管理的应用研究[D]. 蒋盛.浙江大学 2017
[3]微重力情况下航天加注泵的空化性能研究[D]. 郭轩宇.清华大学 2016
本文编号：3607768
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
1 常规设计逻辑与反问题优化设计逻辑对比[61]
另一方面，当前的水力设计已不仅仅关注于扬程、效率和抗空化性能指标，对泵的全流量特性和泵内水力激振的研究也逐渐成为关注重点，并开始形成了一些有关无过载水力设计和低振动低噪声水力设计准则。低比速离心泵由于轴功率随流量增加而不断上升，在大流量、低扬程工况运行时常因过载而烧坏原动机。为了改善离心泵全工况功率曲线，袁寿其在对离心泵轴功率特性研究的基础上，首次提出无过载设计理念，系统地推导了无过载离心泵设计的原则，并通过试验和数值模拟，从叶片出口角、叶片包角和叶片数等参数的设计和选择方面出发，给出了无过载设计的基本准则[65-66]。此外，为减小泵的振动噪声，叶轮进出口宽度、基圆比、叶片数、蜗壳和导叶数等整体参数的优化选取在初步设计阶段用于抑制泵内水力激振，并且叶片尾缘修型、叶片出口边倾斜、优化叶片加载方式、优化蜗壳形状等措施也被证明在减小流体激励方面具有效果[67-68]。除此之外，人们尝试建立叶轮激振力、叶片载荷、几何参数之间的联系，以实现泵的低振动设计。吴大转等通过叶轮内局部欧拉扬程来表征泵内能量分布与增长特性[69]，并将其与叶轮非定常激振力进行关联，在此基础上提出了叶轮出口段圆周方向能量均匀化设计方法，并且通过叶片尾缘修型和压力面局部增厚等具体实施途径，进一步根据厚度分布优化得到具有类似于翼型叶片的结构，在多个泵设计工程实践中取得显著的减振效果，初步形成了泵低激振力叶型设计方法[70]，其中新型叶片和常规叶片的局部欧拉扬程分布的比较结果如图12所示。结构设计是泵设计的另一个主要内容。本世纪泵结构设计的进展更多体现在结构分析能力的显著提升上，基于有限元平台的结构强度分析、机械动力学分析及温度场分析已被广泛用于泵的设计过程[71]，并且全三维设计已用于泵制造企业，部分零部件三维设计还直接与制造过程对接，实现了数字化的设计与制造[62]，图13所示为日本荏原公司展示的数字化泵设计技术路线。具体结构形式创新方面，虽然泵的基本结构形式自本世纪以来没有发生根本变化，但一些新技术和新需求依然促进部分结构和材料技术的创新。其中，高速泵是一个典型代表，高速泵在上世纪就作为一种转化自航天技术的泵型，和磁力泵和屏蔽泵一样广受行业关注，但其发展受到了轴承、密封和电机技术的制约。
结构固有特性和振动传递特性是泵振动噪声研究需要关注的另一重要工作。为了避免与泵的旋转频率发生共振，结构固有频率和模态分析已大量用于复杂泵机组的校核与改进设计，尤其在低振动低噪声泵的设计过程中，改变结构模态和振动传递特性成为优化设计的重要内容[80]。同时，转子的临界转速计算也是泵设计必不可少的环节，但对于多级泵，如图16所示，“湿转子”分析是临界转速计算的重点[81]；而对于带齿轮箱的大型泵组，扭转振动分析已成为标准规定的内容。目前，ANSYS等大型有限元分析软件已经能够完成精细化的泵结构固有特性和振动传递特性分析，相关分析校核已经成为高品质泵设计过程的组成部分。5 泵的节能与运维技术研究进展
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高空化性能的对转泵喷推进器设计[J]. 胡雷俊,曹琳琳,车邦祥,吴大转. 工程热物理学报. 2017(09)
[2]燃油系统旋涡泵压力脉动的控制研究[J]. 张露,武鹏,吴大转,洪伟荣. 工程设计学报. 2017(04)
[3]用于离心泵的双层转子结构无轴承永磁薄片电机[J]. 朱熀秋,倪寅坤. 微特电机. 2017(03)
[4]轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化[J]. 夏水晶,袁建平,孙潇,周帮伦,李彦军. 排灌机械工程学报. 2016(07)
[5]侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证[J]. 张帆,Martin Bhle,裴吉,袁寿其,Annika Fleder. 农业工程学报. 2015(10)
[6]旋转失速条件下离心泵隔舌区动静干涉效应[J]. 周佩剑,王福军,姚志峰. 农业工程学报. 2015(07)
[7]基于数字化软件系统的离心泵叶轮水力设计及性能对比分析[J]. 金永鑫,宋文武,徐耀刚. 热能动力工程. 2015(02)
[8]牛栏江-滇池补水工程高扬程大功率离心式水泵科研与设计[J]. 游超,徐宏光,宫让勤,吴喜东. 大电机技术. 2014(06)
[9]Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes[J]. 肖业祥,王正伟,张瑾,罗永要. Journal of Hydrodynamics. 2014(02)
[10]大功率高压多级离心转子动力学分析[J]. 平仕良,吴大转,谭善光,王乐勤. 工程热物理学报. 2010(07)
博士论文
[1]涡轮泵及诱导轮流动不稳定性及空化特性研究[D]. 付燕霞.江苏大学 2014
[2]离心泵等效载荷识别分析及减振研究[D]. 率志君.哈尔滨工程大学 2013
[3]环形密封和多级转子系统耦合动力学数值及实验研究[D]. 蒋庆磊.浙江大学 2012
硕士论文
[1]振动法在离心泵空化诊断中的应用研究[D]. 冯光伟.浙江理工大学 2018
[2]泵系统节能项目合同能源管理的应用研究[D]. 蒋盛.浙江大学 2017
[3]微重力情况下航天加注泵的空化性能研究[D]. 郭轩宇.清华大学 2016
本文编号：3607768
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jixiegongcheng/3607768.html
