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Sunsheng杨,番禺区香港,本·陈, ”使用CFD研究泵蜗壳设计方法”,旋转机械的国际期刊, 卷。2011年, 文章的ID137860年, 7 页面, 2011年。 https://doi.org/10.1155/2011/137860
使用CFD研究泵蜗壳设计方法
文摘
螺旋离心泵是一种重要的液压的一部分,泵蜗壳内水力损失占总数的很大一部分在泵水力损失,因此适当设计的泵蜗壳离心泵性能有重大意义。本文采用数值方法研究蜗壳的主要几何参数,包括蜗壳喉部面积,蜗壳截面形状,设计规则的螺旋发展区域,和径向叶轮和蜗壳舌泵性能之间的差距。研制了一种高效泵蜗壳的设计方法通过蜗壳主要几何参数对泵性能的影响。本文可以高效泵蜗壳设计提供理论指导。
1。介绍
泵耗能设备在日常生活中人们使用,泵的效率改进节能有重要意义。蜗壳的固定式液压部分泵泵性能起着重要的作用;合适的泵蜗壳的设计起着重要的作用在泵效率的改善。
赵和徐1]介绍了当前研究蜗壳和进一步的研究提供了几点建议。邓和楚2]研究了蜗壳喉部面积的离心泵性能和画了一个结论:蜗壳喉部面积的减少可能缩小泵效率高范围,并使陡峭问- - - - - -H曲线。陈和魏3]研究液压反动式汽轮机的设计规则蜗壳螺旋发展领域,提出了一个高效的蜗壳螺旋开发领域设计规则。几何参数对泵的性能的研究主要集中在一个几何参数;此外,一些几何参数很难追求实验研究。离心设计软件和CFD技术提供了一个有效的工具来研究几何参数对泵性能。
在这项研究中,设计了单级离心泵。像喉咙蜗壳主要几何参数的影响区域,截面形状,设计规则的螺旋发展地区,和径向叶轮和蜗壳舌之间的差距对泵的性能进行了使用数值方法。泵的性能曲线具有不同几何参数。通过分析这些性能曲线,开发高效的蜗壳设计方法。
2。泵几何
调查的焦点是一个单级离心泵。其设计参数如下:问= 2103/小时,H= 100n= 3000 r / min。表1列表的主要几何参数设计的泵。图1提供了一个通用的设计泵。
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3所示。数值调查
ANSYS-CFX 3 d n - s是一个商业CFD代码,利用有限单元有限体积方法discretise传输方程。完全隐式求解器,因此它创造了没有时间步长限制和被认为是容易实现的。这也是一个耦合解算器意味着同时求解动量方程和连续性方程。这种方法减少了获得收敛所需的迭代次数和不需要压力修正项保留质量转换,导致一个更健壮的和准确的解决者。
泵内流体前后室通常是被忽视在CFD仿真(4,5]。为了得到更准确的结果,所有泵内流体控制成交建模为显示在图3 (c)在这篇文章中。因此,计算效率包括液压和容积效率。机械密封的摩擦造成的机械效率的计算效率和轴承是被忽视的。液体分成五个组成部分,他们是泵进口管、叶轮流道,蜗壳,前后室。这种分离允许每个网格生成单独和针对特定组件的流量要求。得到一个相对稳定的进口和出口流程,这位管径的扩展在泵进口和出口部分。
3.1。网格生成
ICEM-CFD用于生成结构化六面体网格为每一个组成部分。丹顿和法6]已经观察到300000节点所需的足够的粘性效应和冲击波提示泄漏,但也指出,有用的比较可以用100000个节点。矿工的出版工作(7]斯宾塞和Amaral-Teixeira [8]表明,相对粗叶轮模型节点(20000 - 40000)可以用来预测性能和精度。丹顿也观察到22000网格/叶片通道是充分的与近似计算余量粘性的影响。一个网格泵进行独立研究,图2与网格数量显示效率的变化,可以看到效率的变化在0.5%,网格数量从500000年到100000年不等。最后网格数量的入口管、叶轮、前室,室,和蜗壳是98 312,295 240,84 835,61 628,626年和375年,分别和网格的总数是915641。其他模型的仿真,只有改变了蜗壳和网格数字几乎是一样的。
(一)
(b)
(c)
注意泵吸入口网一代是为了使网格之间的接口入口管和前室泄漏几乎是相同的。附近的网格边界墙精制,赶上了边界层的影响。由于复杂的基于几何生成结构化网格,网格生成的巨大的努力已经采取了蜗壳。图3给出了一个通用视图生成的网格。
3.2。解决方案的参数
RNG k -湍流模拟ε湍流模型。平流方案设置为高分辨率。收敛性判据是10−5。所有的墙内表面粗糙度控制音量设置为50μm。入口和出口边界条件设置为静态压力入口和质量流率出口(8]。通过改变质量流量,泵的性能曲线。
随着叶轮叶片的运动相对于静止的蜗壳中央调查,分析必须涉及多个帧的参考。吸入口和蜗壳在静止坐标系,叶轮在旋转坐标系。两个固定组件之间的接口,旋转和固定组件,将通用网格界面和转子定子接口,分别。
4所示。蜗壳喉部面积
在蜗壳喉部面积泵性能的研究,从四个不同的蜗壳喉部区域3085毫米24629毫米2调查,研究了截面形状是圆的,螺旋发展地区根据常数圆周速度设计规则,和所有其他参数保持不变的目的比较。
泵的性能曲线不同的蜗壳喉部区域被收购,绘制在图4。表2列出了最佳效率点”(cep)效率、头和轴功率不同的方案。
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(一)
(b)
(c)
如图4(一)和表2,随着蜗壳喉部面积的增加泵cep移动到大容量和略有减少。图4 (b)显示泵的压头和流量曲线与蜗壳喉部面积的增加变得越来越平坦。图4 (c)表明所需的泵轴功率变化可忽略不计的数量与不同的蜗壳喉部面积。
5。蜗壳截面形状
蜗壳截面形状蜗壳设计中是一个重要的几何参数。在蜗壳截面形状泵性能的研究,在3968毫米蜗壳喉部面积保持不变2,每个截面的设计领域遵循恒定的圆周速度法则,和所有其他参数如蜗壳出口管直径和蜗壳基圆直径保持不变,只改变横截面的形状。图5表明蜗壳截面形状的调查四种类型通常用于泵的设计。
(一)轮
(b)马蹄的形状
(c)梯形
(d)矩形
泵的性能曲线与不同的蜗壳截面形状是和绘制在图6。表3列出了cep的效率,头和轴功率不同的方案。
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(一)
(b)
(c)
作为显示在图6(一)和表3,达到最高效率当蜗壳截面形状是圆的,第二个最高的横截面形状是马蹄形状的圆形截面的低于1.05%。矩形和梯形蜗壳泵有几乎相同的效率。这表明圆截面形状的最佳选择的泵截面设计效率的观点。
图6 (b)表明圆形蜗壳截面泵产生的压力水头最高的。第二个最高的压头是泵马蹄形横截面。矩形和梯形截面泵的压头几乎是相同的。图6 (c)表明,泵轴功率与不同的蜗壳截面形状变化小,可忽略不计的。详细的水力损失分布表明,圆形蜗壳内水力损失的减少,导致增加的压头和效率相比与其他形状的横截面。
6。设计规则的螺旋发展地区
人们普遍认为蜗壳螺旋的设计发展领域应该服从不变的圆周速度漩涡泵蜗壳设计(9,10]。最近,其他类型的规则已报告生成更高的效率(3]。在这个研究中,五种蜗壳螺旋发展领域不断的漩涡,恒定速度,半径线性(半径增加线性从蜗壳分水角到蜗壳喉部面积),和两个自行设计曲线显示在图7正在调查中。在4628毫米蜗壳喉部面积保持不变2研究横截面的形状是圆的,所有其他参数如蜗壳出口管直径和蜗壳基圆直径保持不变。
(一)持续的漩涡
(b)恒定速度
(c)半径线性的
(d) Spline1
(e) Spline2
泵的性能曲线与不同的蜗壳设计规则被收购,绘制在图8。表4列出了最佳效率点”(cep)效率、头和轴功率不同的方案。
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(一)
(b)
(c)
作为显示在图8(一个)和表4,泵效率达到最高时,蜗壳螺旋发展领域遵循不断漩涡的规则,这是高出0.53%的恒定速度法则。泵的效率与蜗壳设计根据恒定速度和spline1几乎是相同的。效率最低的是spline2大截面面积的螺旋式蜗壳出口地区的部分。
数据8 (b)和8 (c)显示所需的五轴功率设计规则几乎是相同的。5调查设计规则,泵蜗壳设计的spline2规则最低的压头。
7所示。径向叶轮和蜗壳舌之间的差距
径向间隙()叶轮和蜗壳舌之间被认为是一个敏感的参数在泵的设计。Kurokawa et al。11报告这径向间隙太小可以提高泵效率时,泵振动特性恶化,并导致空化发生在蜗舌附近。径向间隙的增加,泵的振动和空化特性得到改善;然而,它的效率会降低。关(9)表明,存在一个最优径向泵蜗壳设计的差距。研究径向泵性能差距,蜗壳喉部面积是4628毫米2蜗壳截面形状是圆的,螺旋的设计发展领域遵循漩涡规则不变,只改变径向间隙。
泵的性能曲线与径向间隙范围从被收购,绘制在图5 - 20毫米9。表5列出了最佳效率点”(cep)效率、头和轴功率不同的方案。
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(一)
(b)
(c)
作为显示在图9(一个)和表5,有一个最佳的泵的径向间隙设计实现效率高,和最高的效率达到径向间隙时15毫米。随着径向间隙从5毫米增加到15毫米,泵cep增加可忽略不计的水平。随着径向间隙继续增加,效率开始下降。
数据9 (b)和9 (c)表明,当径向间隙增加从5毫米到15毫米,泵的压头和轴功率的变化很小。随着径向间隙的增加到20毫米,泵的压头开始下降。
8。结论
蜗壳作为一种重要的固定泵的液压部分执行的功能收集高速流体,能量转移速度精力压力。对蜗壳的设计方法的研究具有重要意义的改善泵的效率。
蜗壳喉部面积泵设计中是一个重要的几何参数。一个大型蜗壳喉部面积可以抵消大流量泵效率曲线,泵高效范围扩大,顺利水泵扬程曲线。也可以看出有轻微下降的最高效率的增加喉咙区域。
不同的蜗壳截面形状泵性能研究表明,截面产生最高的效率在四个一般类型的截面形状是圆的。泵与矩形和梯形螺旋形状几乎相同的效率。圆形截面形状是蜗壳设计实现的最佳选择效率高。
五种不同设计规则的蜗壳螺旋发展区域调查。研究结果表明,蜗壳螺旋开发领域当根据常数漩涡设计规则效率最高。第二最高效率是实现当蜗壳设计根据恒定速度法则,略低于恒定的漩涡。
调查径向叶轮和蜗壳舌之间的差距表明,存在一个最佳的高效泵设计的径向间隙。最优径向间隙的设计参数是15毫米,叶轮直径的0.053倍,或蜗壳基圆直径叶轮出口直径的1.107倍。
研制了一种高效泵蜗壳的设计方法通过数值调查蜗壳泵性能的几何参数。本研究高效泵蜗壳设计提供指导。
命名法
| 一个: | 蜗壳喉部面积,(毫米2) |
| b2: | 叶轮出口宽度(毫米) |
| D1: | 泵吸入口直径(毫米) |
| D2: | 叶轮出口直径(毫米) |
| D3: | 蜗壳基圆直径(毫米) |
| D4: | 蜗壳出口直径(毫米) |
| H: | 头,(m) |
| n: | 转速(转/分) |
| P轴: | 轴功率(千瓦) |
| 问: | 体积流率(m3/小时) |
| z: | 叶片数量 |
| η: | 效率 |
| β2: | 叶片出口角,(°) |
| Φ: | 叶片包角,(°) |
| γ: | 叶轮磨损环的长度,(毫米)。 |
确认
特别感谢国家项目题为的开发利用液压动力恢复涡轮机(2009 gjc10007)”江苏大学的资格和博士创新基础“研究高压流体动力恢复装置的泵涡轮(CX10B_012X)。”
引用
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版权
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