泵的设计方法及发展趋势

泵的设计方法及其发展趋势

刘华志1,王春波2(1.焦作工学院机械工程系,河南焦作454000;2.河南省武陟县电业局,河南武陟454350)

摘要:

叙述了泵的各种设计方法,认为计算机辅助设计将成为泵设计行业的主流发展方向,借助于计算机辅助设计可以大大的缩短设计周期,并可按规定目标对泵进行快速优化,从而大大减少试验的次数,降低生产成本.

关键词:泵;相似设计法;速度系数法;CAD中图分类号:TH164

文献标识码:A文章编号:10077332(2003)030214031

传统设计方法在传统的泵设计方法中,设计人员把许多半经验公式应用于设计中,对于泵主要技术参数的确定主要有相似设计法和速度系数法.

1.1相似设计法相似设计法是根据流体力学中的相似原理,选用性能好且与所设计泵相似的模型泵,对其过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小而进行设计.其对模型泵的要求是:与设计泵具有相等或者相似的比转速; 效率、抗气蚀性能、特性曲线均符合要求;!技术资料齐全;∀所设计的泵和模型泵雷诺数之比Re/Rem=1.0~1.5.这样设计出的泵一般具有和模型泵相等或者相近的性能.对于实型泵的参数用注脚#p∃表示,对模型泵的参数用注脚#m∃表示.有上式可以推出两台相似泵的尺寸关系(2)相似设计法简单、方便,

但也存在以下几个方面的问题[2]:

(1)关于性能和效率问题.在进行相似设计时,所有的换算都是在模型泵和实型泵效率相等的条件下进行的.实际上,相似放大或缩小时泵的效率并不完全相等,如果实型泵比模型泵大,则实型泵的实际扬程和效率比计算值略大一些,实型泵和模型泵尺寸相差的越大,扬程和效率计算值和实际值差的越大.因此在选择模型泵时,应尽可能选择尺寸差的不大的泵.

(2)关于结构形式的影响.如果模型泵和实型泵结构形式相差太大,则实型泵不再具备模型泵性能的优点.例如:锅炉给水泵功率大、轴径粗,如果用一般单级悬臂泵模型相似设计给水泵,则效果不好.因此,应尽量选用同一种结构形式的模型进行相似设计.

(3)关于修改模型问题.设计泵时,如果找不到与比转数ns完全相等的模型,则可以找比转数相接近的模型来进行修改,通常用修改模型泵流量的办法来改变模型泵的比转数,使之等于要设计的比转数,这就带来一定的误差.

(4)关于气蚀相似问题.根据相似原理,相似泵的气蚀转数C应该相等.但实践表明,2台泵要做到入口部分完全相似是非常困难的,所以,实型泵的气蚀性能参数最后应该以实际试验值为准.(5)关于修正实型泵入口部分.在进行设计时,要保证模型泵和实型泵完全相似,特别是入口部分的完全相似是很困难的,因为泵的结构形式、叶片厚度、相对粗糙度、雷诺数和液体粘度都影响叶轮入口的相似.一般情况下,小泵放大,轮毂直径过小,而大泵缩小,轮毂直径过大,所以要根据具体情况修正实型泵入口部分.总之,用相似设计法虽然很方便,但它只能保持在原有水力模型的水平.因此,在采用相似设计法时,必须结合模型试验,不断分析和改进原有模型不足之处,逐步提高产品水平.

1.2速度系数法速度系数法就是设计时按ns选取速度系数,作为设计叶轮尺寸的依据.速度系数法实质也是相似设计,只是它是建立在一系列而不是1台相似泵的基础上,它是利用大量的经验公式、统计系数计算各个过流部件的尺寸.对于缺少合适的模型泵的情况,一般都广泛地采用速度系数法来确定泵各部件的尺寸.速度系数法总的经验公式和半经验公式很多,对于同一个变量的确定往往有不同的经验公式可以利用,因而不是生搬硬套就能设计出优秀的水力设计,而往往要融入设计人员的经验和智慧.和相似设计法一样的是,用速度系数法进行产品设计时,虽然设计计算比较方便,但是产品只能保持原有的水平.因此,在采用速度系数法设计产品时,应结合模型试验,不断创造新的优秀的模型,并充分应用这些模型的速度系

数图,才能提高产品的水平.总之,传统的叶轮水力设计一般都是在确定叶轮各部分尺寸之后采用图解逐渐逼近获得,步骤是选择水力模型%计算有关参数%一元流道校核%绘型,这些步骤往往要经过多次反复,准确性差,计算烦琐费时,返工量大,整机设计周期长,设计强度大.而且,按照某一特定工况设计的离心泵,其性能只有在泵造出进行试验以后才知道,从设计到造出一般需要1~2a的时间,在设计时如果能够反复比较、修改、筛选,找出最优的设计将是很有意义的工作.

正是因为这个原因,泵的CAD技术作为一个研究方向越来越受到人们的重视.

2计算机辅助设计方法计算机辅助设计方法是将计算机与工程技术人员的创造性思维及分析判断能力结合起来,形成人机对话的交互式设计系统,从而大大改善设计质量,加快设计进程,并使设计人员从繁重的绘图工作中解放出来,更多地从事创造性的研究工作.泵的计算机辅助设计方法就是将计算机辅助设计的方法运用于泵的设计与分析的过程中(即泵CAD).泵的计算机辅助设计最重要的是利用计算机的计算能力模拟计算泵内流场,从而设计出具有优良水力性能的叶轮以及其它相关部件.在传统的设计方法中,都对泵内流场作了一定程度的简化.实际上,叶轮内部的流动是相当复杂的,

所谓一元、二元、三元理论就是在设计中对叶轮内部的流动作一系列假设,用具有不同规律的流动代替叶轮内的复杂流动.目前对离心泵,大都按一元流动理论进行设计,用二元、三元理论进行叶轮内部流体运动规律的研究.三元流动理论和准三元流动理论是随着计算机和数值计算技术的发展而发展起来的.三元流动理论以有限叶片数为基础,假设流动不是轴对称,每个轴面的流动各不相同.另外,沿同一过水断面轴面速度也不是均匀分布的.轴面速度随轴面、轴面流线、过水断面形成的3个坐标的变化而变化。

三元流动理论对计算机的计算能力有一定的要求.随着计算机技术和流体力学的结合,形成了一个新的学科即计算流体力学(ComputationalFluidDynamics简称CFD).一些软件公司在CFD领域开发出功能强大的商用软件,这样即使设计人员对编程不很熟悉,也可以运用这些功能强大的商品软件,服务于流体机械的设计.现在主流的CFD软件有FLUENT、START CD、PHOENICS、FLOWTAX等.其中FlUENT软件的功能最为强大,它可以高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题.FlUENT软件推出各种优化的物理模型,如定和非定常流动、层流(包括各种非牛顿流模型)、紊流(包括最先进的紊流模型)、不可压缩和可压缩流动、传热等等.对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以其在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳.

FlUENT软件具有和其他软件的接口如PRO/E等,这样用PRO/E等软件作的模型可以输入到FlUENT软件中,分析模型的各种水力性能,进而再用PRO/E修改模型,从而使模型达到最优.国外在进行流体机械设计时早已广泛运用各种CFD方面的商业软件,并取得显著的效果.3计算机辅助设计的一般流程计算机辅助设计一般情况下首先要建立各种类型泵的模型数据库和一系列的设计规则.然后根据所设计泵的个定参数从数据库中选出最为合适的模型泵,从而计算设计泵的参数,再用流场模拟软件来模拟泵内的流场,从而来预估所设计泵的性能,若不合要求,安给定的规则进行优化,直到满足设计要求为止.

1.4结论

综上所述,随着工业的发展以及泵的应用范围的扩大,人们对泵的要求越来越高,尤其是对于效率的要求越来越高,这样传统的设计方法就很难满足客户的要求,因此泵的设计应更多的借助于计算机运用并开发各种辅助设计软件,从而设计出高效率的符合客户要求的泵,泵的计算机辅助设计方法才是符合时代潮流的发展方向,这种设计方法不仅可以大大的缩短泵的设计周期,而且可以减少泵的试验次数,从而大大的降低研发和生产的成本