海水淡化用轴向柱塞泵配流盘的结构优化

·ｌ０·　小番被采　２０１８年第１期　海水淡化用轴向柱塞泵配流盘的结构优化木　黄海楠　何雪明　陈双成　张　荣２　（１一江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡，２１４１２２；　２一江南大学理学院，江苏无锡，２１４１２２）　

摘要：随着泵类设备减振降噪要求的进一步提高，流体噪声成为了轴向柱塞泵在海水淡化工程中发展的限制因素　之一。因此在分析了配流盘配流特性的基础上，针对配流盘的三角阻尼槽结构，设计了不同的宽度角、深度角，建立　了相应的柱塞泵计算模型，通过模拟仿真手段计算了宽度角、深度角对柱塞泵流量脉动、压力脉动的特性。对仿真结　果分析，得出了最佳的配流盘结构，为轴向柱塞泵的减振降噪提供一定的理论支持。　

关键词：轴向柱塞泵　中图分类号：ＴＨ３２１　引　言　配流盘结构优化　文献标识码：Ａ　

淡水资源短缺是当今世界面临的三大问题之　一，很大程度上限制了现代经济社会的发展。为　了应对日益严重的淡水问题，海水淡化工程由此　而生。截至２００９年，世界上接近８０％海水淡化工　程使用的是反渗透法【１］淡化海水技术，产量占据了　淡化水的４４％ｔ２］。柱塞泵作为反渗透法淡化海水技　术的重要工具之一，在海水淡化系统中使用广泛，　但因为其结构特点而导致工作噪声大，制约了其　在反渗透海水淡化工程中的发展。　国内外学者一直针对柱塞泵结构优化方面进　行研究，试图减少柱塞泵工作中的压力脉动和流　量脉动，从而减少柱塞泵的工作噪声。Ｊ．Ｍ．　Ｂｅｒｇａｄａ和Ｓ．Ｋｕｍａｒ［３－４Ｊ搭建了能够测量柱塞腔内动　态压力的试验平台并用它来测定在不同转速、出　口压力及斜盘倾角时压力波动的动态特性。Ｇａｎｅｓｈ　Ｋｕｍａｒ　Ｓｅｅｎｉｒａｊ等［５－６１运用多参数、多目标方法对柱　塞泵中配流盘、缸体等零件结构进行优化，减小　脉动情况的发生，从而减小流体噪声，证明了他　所提出的优化方法的有效性。Ｉｈｎ—ｓｕｎｇ　Ｃｈｏ等阴考　虑了柱塞速度、瞬态体积流量、配流盘压力超调区　域等重要因素，运用ＡＭＥＳｉｍ对柱塞泵进行仿真　分析，并对波动结果进行了预测。Ｍａｎｒｉｎｇ［８ｊ采用无　因次化的方法求解流量脉动，通过数值仿真方法分　析了柱塞数对柱塞泵流体脉动率的影响，发现奇数　柱塞泵的流量脉动率优于偶数柱塞泵的流量脉动　率。徐兵等　２】为了减少流域匹配和瞬时回流，提　出了一种配流盘过渡区域的设计新方法，并进行试　验和仿真分析，结果表明使用这种方法设计的配流　盘对减小柱塞泵的流量和压力波动有很明显的效　果。　本文在分析了配流盘配流特性的基础上，针对　配流盘的三角阻尼槽结构，设计了不同的宽度角、　深度角，计算了对应柱塞泵的流体流量脉动、压力　脉动特性，对数值进行分析后，得出了最优的三角　阻尼槽结构，为柱塞泵的减振降噪提供理论支持。　

１配流盘配流特性计算　柱塞泵工作时，随着转角的不断变化，柱塞和　配流盘之间的过流面积也发生相应改变，其变化过　程如图１所示。　

１．１三角形过流面积计算　＋基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７５２１０，　５１１０５１７５）；六大人才高峰资助项目（２０１３－ＺＢＺＺ－Ｏ１６）　当柱塞与配流盘的接触角度０＜　≤　ｌ时，柱塞　２０１８年第１期　小番柱采　腔工作面与三角阻尼槽所在面发生接触，如图１　（ａ）所示，此时的过流面为三角形。而三角阻尼槽　的结构如图２所示，图中几个重要的参数分别是０。　（深度角）、Ｏｚ（宽度角）、Ｒ。（近似圆半径）。　

（ａ）　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）　图ｌ　缸体和配流盘过流面积变化示意图　

图２三角阻尼槽结构示意图　假设柱塞转动到三角阻尼槽的ｊ点位置，此时　的过流面为三角形Ａｂｉｊ。因为面ｂｉｊ与面ａｃｆ是垂　直关系，所以可以轻易求得此时的过流面积为：　Ａ蚯ｇ＝（冠妒）　ａｎ　０１　ｔａｎ　０２／２　１．２树叶形过流面积计算　当柱塞与配流盘的接触角度　。　≤（　。　：）时，　柱塞与腰形区域开始接触，此时的过流面积近似于树　叶形状，如图３中阴影部分所示。将其分成Ａ，、Ａ：、　Ａ　、Ａ　四部分，如图３（ａ），因为阴影部分是由两个　相同半径的圆弧交叉所得，所以四部分形状是全等　的，要求整个阴影部分的面积，只需求Ａ。部分面积　乘４即可。Ａ。部分的形状如图３（ｂ）所示。　（ａ）树叶形过流面　（ｂ）Ａ．形状　图３树叶形过流面积变化示意图　图３（ｂ）中圆弧的表达式为：　＝Ｘ／—ｒ２－（ｘ—－ｒ）２（０　＜，）　（１）　通过对式（１）积分可以求得阴影部分面积的表　达式为：　Ａ　１＝（　—ｒ）／２Ｘ／—ｒ２－（ｘ—－ｒ）２　十　２　ａｒｃｓｉｎ（　—ｒ）／ｒ＋ｃｒｒＺ／４　（０＜ｘ＜ｒ）　（２）　将图３中（ｂ）和（ａ）的参数进行关联，可以得到　如下等式：　＝Ｒ，ｓｉｎ　尺ａ　（３）　将式（３）代人式（２）可以得到Ａ。面积，再乘４　即得树叶形过流面积Ａ：　Ａ＝４Ａ，＝　、／　凡　－ｒ）　＋２ｒ２．ｄｒｃｓｉｎ且　生＋７ｒｒ２　（４）　１．３渐变腰状过流面积计算　当柱塞与配流盘的接触角度（　，＋　：）＜　≤（　＋　＋６ｏ，）时，过流面呈腰状，如图４阴影部分所示，　可以将该部分划分成Ａ，、Ａ　、Ａ　三部分。Ａ。、Ａ　为两个半径为ｒ的半圆，两者的面积之和为Ａ。酗＝　ｅｒｒＳ；Ａ　部分是内径为见一ｒ、外径为Ｒ　＋ｒ、圆心角　为６的一截圆环。圆心角６与转角　有如下的关　系：　

６　一４ａｒｃｓｉｎ奇　（５）　

可得该圆环的面积为：　Ａ　ｚ＝鲁（　－－－４ａｒｃｓｉｎ奇）　（６）　

将式（６）所得面积与Ａ　、Ａ　面积相加即得腰状　过流总面积：　Ａ＝仃＾鲁（　，一４ａｒｃｓｉｎ奇）　

图４渐变腰状过流面积变化示意图　·１２·　小番彳点采　２０１　８年第１期　１．４固定腰形过流面积计算　当柱塞与配流盘的接触角度（　＋　＋　３）＜　≤　（　＋　＋　，＋ｇｏ　）时，此时的过流面为一稳定面积的　腰状，如图５阴影部分所示。　部分圆心角稳定　为６。，此阶段的过流面积可表达为：　

十　

图５　ｌ司定腰状过流面积变化不意图　综上，得到配流盘过流面积与柱塞转角的一个　函数表达式，并由表达式可以看出函数的连续性不　高，在柱塞从三角形过流面向树叶形过流面过渡　时，甚至会出现骤变现象，这也是导致柱塞泵工作　噪声的原因之一。而三角阻尼槽的宽度角、深度角　作为三角阻尼槽的主要设计特征，应得到进一步优　化。函数表达式为：　舻）　ｔａｎ　１　ｔａ“　０２　（Ｏ＜　≤　１）　

／ｒ２－（Ｒ．￣－ｒ）ｚ　＋２ｒ２　ａｒｃｓｉｎ　Ｒ＿．

（９－￣Ｏ１）－４ｒ

＋７ｒｒ２　

斗ｒ　（　１＜　≤（　１＋　２））　

（　－４ａｒｃｓｉｎ奇）　（（　ｌ＋ｇｏ２）＜　≤（　ｌ＋　２＋ｇｏ３））　７ｒ＾　（（　，）＜　≤（　））　

２流体动力学建模　配流盘上阻尼槽的结构是影响柱塞泵流量脉动　和压力脉动的重要因素，而阻尼槽的结构多种多　样，其中应用最多的就是三角阻尼槽。三角阻尼槽　分布在配流盘的吸水侧和排水侧，分别调节柱塞在　与配流盘腰型孑Ｌ接触时的液体流动情况。本节基于　

数值仿真手段，通过对阻尼槽宽度角和深度角的定　量研究，分析了其在吸水侧与排水侧对柱塞泵流量　脉动和压力脉动的影响规律．并得到配流盘最优的　结构设计。　

２．１流体动力学建模及网格划分　文中针对三角阻尼槽分别设置了不同的宽度角　与深度角，分别研究其在配流盘吸水侧与排水侧对　柱塞泵流量脉动、压力脉动的影响。针对柱塞泵结　构的特点，对部分模型做了简化处理，其计算模型　如图６所示，采用水作为Ｔ作介质。阻尼槽的宽度　角为７０。、９０。、ｌｌ０。，深度角为３。、６。、ｌ３。。　综合考虑计算的精度与效率，柱塞腔流体由于　形状规整，采用结构化网格；吸水腔、排水腔及配　流盘流体结构复杂而采用非结构化网格。柱塞由于　进行正弦运动，所以网格设定为动网格模型，且其　运动方式由ＵＤＦ写入，动网格采用局部网格重构　法。　

—－柱塞腔流体　

图６柱塞泵计算模型　流体　２．２边界条件设定　柱塞泵流体的交界面主要有两对，一对是配流　盘流体与吸水腔、排水腔流体的交界面，一对是柱　塞腔流体与配流盘流体的交界面，如图７所示。柱　塞泵进出口采用压力边界，进出口压力差设为１７　ＭＰａ，计算时采用　一　湍流模型，以进出口流量脉　动、压力脉动出现周期性变化为收敛依据。　

３仿真结果分析与结构优化　

３．１　吸水侧阻尼槽结构优化　配流盘吸水侧三角阻尼槽在同一深度角下．得　到了７０。、９０。、ｌｌ０。宽度角对柱塞泵压力脉动、流　

、　一　

巍　

一　２０１８年第１期　小番柱采　·１３·　（ａ）交界面Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ１　

２４ｒ　（ｂ）交界面Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ２　图７交界面设置　

体　

十‘—　却目——　一＿。。　一宽度角１１０　宽度角９０。．　一宽度角７０。　

０．９６　０．９５　０．９４　０．９３　０．９２　０．９ｌ　０．９　０，８９　Ｏ．８８　０．８７　Ｏ．８６　

缸体转角／（。）　（ａ）柱塞腔压力脉动　４　０　４５　９０　１３５　１８０　２２５　２７０　３１５　３６０　４０５　缸体转角，（。）　（ｂ）柱塞泵出口流量脉动　图８吸水侧阻尼槽宽度角变化影响　ｌｌＯ。　９０。　７０。　量脉动的影响曲线，如图８所示。柱塞在与三角阻　尼槽开始接触时，压力存在明显的正向突变，称之　为压力正超调，压力正超调将会引起流体的压力冲　击，出口流量脉动则呈现一定的周期性变化。进一　步对数据进行分析，随着宽度角的增大，压力脉动　呈现先减小后增大的趋势，在三角阻尼槽宽度角　９Ｏｏ附近时，压力脉动最小，且从压力上升时长来　看，宽度角为９０。用时最长，说明其变化最平稳；　流量脉动方面，虽然宽度角增大，流量的最小峰值　是略有减小的，但对流量脉动的影响十分微弱。所　以配流盘吸水侧的三角阻尼槽宽度角采用９０Ｑ为　佳。　在得到最优宽度角９０。的情况下，针对３。、　１７８．２　ｌ７９．１　１８Ｏ　ｌ８０．９　１８１．８　１８２．７　ｌ８３．６　ｌ８４．４　缸体转角／（。）　（ａ）柱塞腔压力脉动　０．９６　Ｏ．９５　０．９４　０．９３　Ｏ．９２　０．９１　Ｏ．９　Ｏ．８９　０．８８　０．８７　Ｏ．８６　Ｏ　４５　９０　１３５　１８０　２２５　２７０　３１５　３６０　４０５　

缸体转角／（。）　（ｂ）柱塞泵出口流量脉动　图９吸水侧阻尼槽深度角变化影响　

９　６　３　Ｏ　柱塞腔压力　柱塞腔压力