沖壓多級離心泵優(yōu)化設計與流動特性分析.pdf

1、隨著工業(yè)技術的不斷進步，機械自動化程度日益提高，不銹鋼板材沖壓產品發(fā)展迅速。同時由于人們對環(huán)保意識的廣泛認知及節(jié)能減排思想的不斷深入，沖壓泵作為一種輕型、環(huán)保、高效、衛(wèi)生的優(yōu)秀產品，應用領域十分廣泛，得到社會相關行業(yè)的深切重視。因此本文的研究不僅具有極大的實用價值，同時也能夠產生深遠的社會效益。
　　該泵將板材沖壓工藝、金屬焊接工藝與水力設計進行了完美的結合，體現了濃重的現代工藝制造特點，而現有的水力設計方法已經不能充分滿足設計上

2、的需求。隨著國內沖壓泵生產廠家數量不斷增多，許多沖壓泵產品的研發(fā)設計問題亟待解決及突破。
　　本文在總結水泵設計方法的基礎上，以一臺典型沖壓多級離心泵的性能要求作為目標，將多目標模糊優(yōu)化方法作為工具，進行過流部件的水力設計及結構設計。經過CFD計算手段獲得預測數據，進而與實測結果進行對比，考證模糊優(yōu)化方法的可行性;在對內部流場分析的基礎上，探討沖壓多級離心泵穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的流動特征;旨在探索一種新的設計方法并拓展模糊優(yōu)化的應用范圍。以

3、下為本文研究的主要內容及取得的成果:
　　1.扼要總結及剖析國內外沖壓泵產品的發(fā)展現狀及研究趨勢。分析表明，沖壓泵是一種水力設計與工藝設計結合非常緊密的泵類產品，單純考慮其中任何一種因素都不能滿足實際工程應用需求，對其進行優(yōu)化設計是非常有必要的。
　　2.對當前泵的主要水力設計理論進行簡要概述，通過分析發(fā)現原有的設計方法都存在著一定的適用范圍，直接應用在沖壓多級離心泵的設計上顯得不完全適合。定性分析發(fā)現幾何參數對離心泵的性能

4、影響復雜，并在一定范圍內存在最優(yōu)組合。
　　3.介紹了模糊優(yōu)化算法的發(fā)展及應用，根據產品性能要求在設計工況下建立含有理論揚程最大與軸功率最小的多目標函數;結合傳統(tǒng)設計經驗及沖壓工藝需求建立約束條件，利用LINGO軟件求解出一組最優(yōu)解集，并據此進行沖壓多級離心泵葉輪及導葉的水力設計。采用Creo2.0繪制過流部件三維實體模型，同時闡述了葉輪及導葉制造方式及工藝特點。
　　4.對數值模擬技術進行簡單介紹，基于ICEM CFD高質

5、量的結構化網格對該沖壓多級離心泵進行兩級泵體的全流場穩(wěn)態(tài)模擬。通過與實測值進行對比，結果表明在設計點及大流量工況處數值模擬準確性程度較高，同時也驗證了模糊優(yōu)化方法基本達到設計要求及在水泵設計應用上的可行性。
　　5.經過對內部流動特征進行研究，發(fā)現總體靜壓分布及湍動能分布較為相似，在做功和能量交換的位置產生較大的波動。通過靜壓分析，表明整體式葉片對非設計工況下的壓力分布影響明顯。在0.5Q及1.5Q工況下，各流道壓力分布近似以12

6、0°陣列分布。而在1.0Q工況下葉輪各流道壓力分布相似，受流道形狀影響較小。通過速度場的對比分析，表明葉輪入口流態(tài)對內部旋渦現象影響較大，不同工況下首級葉輪內部流態(tài)均好于次級葉輪。葉輪內部出現流動紊亂、旋渦現象均發(fā)生在葉片壓力面附近位置，而在葉片吸力面附近位置流態(tài)比較平穩(wěn)。反導葉內部流場分布較為復雜，并且部分反導葉流道進口處同時存在兩個流動方向相反的旋渦區(qū)域。在0.5Q工況處，內部的旋渦區(qū)域占據了大部分流道面積;隨著流量增加旋渦區(qū)域向反

7、導葉進口處移動，而在反導葉出口處流態(tài)較為平穩(wěn)。
　　6.不銹鋼沖焊葉輪形式多種多樣，研究表明圓柱形葉片葉輪效率高于整體式葉片葉輪，同時其耗用軸功率也相對較少。但兩者的揚程曲線相差不大，變化趨勢相同。從工藝角度出發(fā)，整體式葉片焊接情況更為理想。
　　7.沖壓多級離心泵轉子-葉輪部件和靜子-導葉部件之間的動靜干涉作用導致液體流動發(fā)生非定常周期性的變化。研究發(fā)現“射流-尾跡”結構導致內部流動狀態(tài)異常復雜，動靜干涉作用對上游及下游壓

8、力變化都有著明顯的影響。通過對湍動能進行分析，表明正導葉具有穩(wěn)流、削弱動靜干涉影響的作用。在泵體內部設置壓力監(jiān)測點，研究發(fā)現受動靜轉子影響，葉輪內監(jiān)測點在一個周期里呈現出9個相似的波形。靜壓波動均值從葉輪進口到葉輪出口逐漸增大。導葉內監(jiān)測點在一個周期里呈現出6個相似的波形，其中正導葉進口邊附近位置壓力脈動較為劇烈，遠離該位置壓力脈動逐漸平緩。這表明泵體內葉輪和正導葉進口邊是壓力脈動的主要來源，隨著遠離該位置脈動信號不斷衰減。經過頻域分析