低比速多级自吸喷灌泵能量损失与自吸机理研究

发布时间：2020-07-08 06:59

【摘要】：我国是水资源严重短缺的国家,农业是用水大户,大力发展农业节水和节水灌溉,是促进水资源可持续利用、保障国家粮食安全、加快转变经济发展方式的重要举措。喷灌是一种先进高效的节水灌溉技术,而喷灌泵是喷灌系统的核心设备,也是节水的关键设备。因此,研究开发高效、高可靠性的低比速多级自吸喷灌泵既是市场的迫切需求,也符合国家节能减排战略。本文是在国家科技支撑计划项目“高效环保用泵关键技术研究及工程运用(2011BAF14B01)"、国家自然科学基金“新型多级泵叶轮-导叶耦合流场结构与能量转换机理研究(51279069)”和江苏省研究生创新基金“不锈钢多级离心泵关键设计方法及内部涡流研究(CXLX12_0642)"的资助下开展工作。本文基于理论分析、数值计算和试验研究,对低比速多级自吸喷灌泵的自吸机理、能量损失特性及动静干涉现象进行了较为系统的研究,本文的主要研究工作和取得的创造性成果有：(1)在单级自吸离心泵的基础上,提出了一种具有高自吸性能及优良外特性的多级自吸喷灌泵的自吸装置。在正反导叶的基础上,创新设计了由气液分离室、外壳体、自吸盖板及气液混合室组成的回水装置。在自吸过程中,末级泵段的高压水经回水装置对首级泵腔进行补水,再次完成气水混合；当泵完成自吸后,自吸盖板中的回流阀在较大压力差作用下自动关闭,有效提高了自吸泵的效率。(2)基于多目标模糊优化设计,确定追求关死点扬程极大值、最大轴功率极小值的多目标优化模型,结合设计经验及工艺需求建立相关约束条件,并进行非线性极值求解,最后以最优解完成过流部件的水力优化设计。通过对多级自吸喷灌泵进行外特性试验,发现泵的关死点扬程及最大轴功率均满足要求,本节为泵的优化设计提供了新的参考方向。(3)将正交试验与灰色关联度分析法及自吸时间试验相结合,进行了缩短多级自吸喷灌泵自吸时间的研究。试验选择叶轮叶片出口宽度b2、叶轮和导叶之间的径向间隙δ、回流孔的面积S及多级泵级数is等4个几何参数作为试验因素,每组因素选择3个水平,按L9(43)正交试验方案,设计了9组方案。通过对多级自吸喷灌泵吸上高度5m时所需要的时间Tp进行正交分析,在正交试验的基础上,通过灰色关联度分析法准确得出影响自吸时间的各因素主次顺序。在正交试验及灰关联分析的基础上,得到了影响因素的最优组合,并通过自吸试验证明了最优组合模型泵吸上高度5 m时所需要的时间Pt=40 s,其自吸性能远高于国家标准要求Tp≤100s。(4)采用ANSYS CFX软件,分别进行了真正意义上仿真单级自吸泵与多级自吸泵(4级)自吸过程的气液两相流数值计算,在多级自吸泵出口处安装透明塑料管,采用摄影技术观测多级自吸泵自吸过程中的气液逸出现象,并与数值计算结果进行对比分析。自吸泵的整个自吸过程分为三个阶段：自吸初期由叶轮旋转作用排水产生的吸气阶段、自吸中期由气水混合及气水分离作用产生排气功能的吸气阶段、自吸末期由进口段的水进入泵体内部产生排气功能的吸气阶段。其中,自吸初期及自吸末期在整个自吸过程中所占的时间比例较小,但其自吸速度较快；自吸中期是自吸过程中的主要阶段,决定着整个自吸过程的长短。通过采用摄影技术观测多级自吸泵自吸过程中的气液逸出现象,发现在整个自吸初期及中期,试验结果与数值计算结果非常相近,不仅两者的变化规律基本相同,而且两者结果相差不超过0.1 m。(5)针对一款典型的低比速多级离心泵,进行了一些数值计算设置方法的研究,并重点分析了粗糙度对泵性能的影响规律。结果表明粗糙度对低比速多级离心泵的数值计算结果影响极大：随着粗糙度的增加,泵的扬程和效率不断降低,粗糙度对效率的影响远大于对扬程的影响；随着粗糙度的增加,泵的圆盘摩擦损失功率、水力功率不断增大,粗糙度对圆盘摩擦损失功率的影响远大于对水力功率的影响；随着粗糙度的增加,泵的机械效率、水力效率及容积效率不断降低,粗糙度主要通过降低水力效率及机械效率来实现低比速多级离心泵总效率的大幅度降低；随着流量的增加,粗糙度对泵的扬程与效率影响作用不断增大,而对泵功率的影响基本保持不变；此外,粗糙度在高转速下对泵的效率具有更显著的抑制作用。(6)建立了一种基于数值计算的损失模型法,包括考虑进口段、出口段、叶轮、导叶及泵腔水力损失、圆盘摩擦损失、口环泄漏损失及级间泄漏损失在内的各种损失,把各种损失全部计算出来,从而获得各种损失之间的相互影响关系及所占比例关系：不考虑级间泄漏与容积泄漏时,随着流量的增加,泵的水力损失功率先减小后增大,在一个合适的流量工况时(一般是额定流量工况)有一个极小值,而泵的圆盘摩擦损失功率随流量的增加有下降的趋势,但其下降幅度非常缓慢；考虑级间泄漏后,泵的圆盘摩擦损失功率及水力损失功率都增大,其增大的水力损失功率从根源上讲也是由圆盘摩擦损失功率转化而来；考虑前口环容积泄漏后,由于叶轮的实际通过流量增大,泵的水力损失功率向大流量方向偏移,圆盘摩擦损失功率则减小,容积泄漏量的增加亦会导致级间泄漏量的降低,从而进一步降低了圆盘摩擦损失功率。(7)采用非定常数值计算,深入研究了低比速多级自吸泵叶轮、导叶及泵腔中压力脉动波的振幅(强度)、频率及相位的变化规律及内在影响因素,发现影响泵内部任意点流场压力脉动强度的因素主要有4个：任意点与脉动源的距离、任意点的压力梯度、任意点的流动不稳定性(湍动能)、任意点与脉动源的相对位置。其中,任意点的压力脉动强度与压力梯度及湍动能呈正相关性,与距离呈负相关性,而任意点与脉动源的相对位置影响着负相关性的强弱能力,即任意点处于脉动源的下游时,距离对脉动强度的负相关影响较弱,任意点处于脉动源的上游时,距离对脉动强度的负相关影响较强。影响泵内部任意点流场压力脉动频率的因素主要有2个：脉动源的数量及叶轮转速。其中,叶轮内部任意点的压力脉动主频为导叶叶频,导叶及泵腔内部任意点的压力脉动主频为叶轮叶频；此外,当任意点的压力脉动强度很弱时,会出现一些低频信号取代主频信号。影响泵内部任意点流场压力脉动相位的因素主要有2个：任意点与脉动源的距离及任意点的位置。(8)基于数值计算方法,获取了叶轮与正导叶之间动静干涉区域(r/R=1.005)的速度场,发现叶轮与正导叶之间动静干涉区域的速度分布有着强烈的非定常特性,同时受叶轮出口边及导叶进口边的共同作用影响,并分别顺向传播至下一级导叶,逆向传播至上一级叶轮及横向传播至泵腔中。对多级自吸泵进行了不同工况下的振动及外部噪声试验,发现泵振动、噪声及压力脉动系数的主频及主频幅值的变化规律基本一致,表明三者之间具有强烈的关联性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S277.94
【图文】：

剖视图,叶轮,实物,自吸

本文中的多级自吸喷灌累采用电机直联方式，结构紧凑，安装使用方便。整逡逑累主要由进出口管道、气液混合室、自吸盖板、叶轮、导叶、外壳体、轴、气液逡逑分离室、拉杆及电机等零部件组成，分别如图２－１及２－２所示。逡逑—逦，逦ｋ邋ｉ邋１邋ｌｉｌ逡逑逦—三＾邋一櫺，逦—、：＇三—逡逑／逦＼邋■；逦１４＇ｊ｜邋Ｉ＊１－＾邋ｊ逦－逡逑一 ■—Ｉ邋ｉ，Ｉ邋－邋Ｉ邋；逡逑直．扣ＭｉＵＣｉ；皂逡逑１．进曰管道２．气液＇混合室３．自吸盖板４．叶栜５．导叶６．外壳体７．轴８．气液分离室NB出口管道逡逑图２－１多级自吸喷灌聚装配示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ａ巧ｅｍｂｌｙ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｕｋｉｓｔａｇｅ邋化Ｉｆ－ｐｒｉｍｉｎｇ邋ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ邋ｐｕｍｐ邋（ｐｌａｓｔｉｃ邋ｉｍｐｅｌｌｅｒ）逡逑进。心Ｘ外＾以心逡逑■．．．＇■邋．＜．．．．．．逡逑图２－２多缀吸喷灌聚实物剖视图（不诱钢叶轮）逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ邋ｓｅｌｆ－ｐｒｉｍｉｎｇ邋ｓｐｒａｙ邋ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ邋ｐｕｍｐ邋（ｓｋｉｎｌｅｓｓ邋ｓｌｉｅｅｌ邋ｉｍｐｅｌｌｅｒ）逡逑本文研究的模型NW最大的创新点是设计了一种具有高自吸性能的自吸装置，逡逑在正反导叶的基础上，创新设计了由气液分离室、外壳体、自吸盖板及气液混合逡逑室组成的回水装置。在自吸过程中，末级累段中的高压水经回水装置对

示意图,自吸,示意图

气液分离室,实物,回流孔

２．２．２气液分离室逡逑本模型系中的气液分离室构造简单，其上部中间位置接出口管道，下部中间逡逑位置开一个圆弧形回流孔，如图２－３所示。其回流孔面积根据Ｗ下公式估算。逡逑巧逦口－１）逡逑＾巧Ｊ逡逑式中，＾／１为回流孔截面当量直径，ｍｍ；邋NB１为计算系数；０为累的流量，ｍ３／ｓ；逡逑？为系的转速，ｒ／ｍｉｎ。根据理论计算，本模型粟中的回流孔面积初步定为Ｓ＝邋８４逡逑ｍｍ；。逡逑（ａ）正面逦化）反面逡逑图２－３气液分离室实物图逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｃｈａｍｂｅｒ逡逑２．２．３外亮体逡逑本模型累中的外壳体是不诱钢材料制造的圆环形壳体，其厚度为１ｍｍ，如图逡逑２－２所示。其外壳体的内径为１２４邋ｍｍ，内壳体（累壁）的外径为１２２邋ｍｍ，中间有逡逑单边１邋ｍｍ的间隙，整个内、外壳体之间的间隙称为回流腔，气液分离室中的水从逡逑回流孔流到回流腔，最后流回自吸盖板并进入气液混合室中。逡逑２．２．４自吸盖板逡逑本模型粟中的自吸盖板结构巧妙

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