CN102032217B - 一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法及该方法制作的产品 - Google Patents
一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法及该方法制作的产品 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法及该方法制作的产品，其包括以下步骤：选取由隔板的若干起始位置和若干终止位置构成的双蜗壳式双吸泵分别进行三维造型及网格化分，将划分好的网格模型导入到ANSYS-CFX软件进行数值模拟，得到各起始和各终止位置下，双蜗壳式双吸泵与单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图；通过分析曲线图和分布图，选取双蜗壳式双吸泵的各流量-扬程、流量-效率曲线与单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线最相近，以及叶轮径向力最小的曲线所对应的起始位置和终止位置，对应作为双蜗壳式双吸泵隔板的起始位置和终止位置；将起始位置到终止位置之间采用圆弧过渡，圆弧过渡采用的曲线方程为对数螺旋线方程：
优化完成。
Description
技术领域
本发明涉及一种泵的优化方法及其产品，特别是关于一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法及该方法制作的产品。
背景技术
双蜗壳式双吸泵作为一种新形式的泵，其不仅继承了单蜗壳式双吸泵高扬程、大流量、平衡轴向力等优点，理论上还可以有效地减少泵运行过程中产生的叶轮径向力，改善泵站***的振动情况。
目前，不管是实验室中的真机或者模型试验，还是CFD数值模拟法，大多数还停留在对给定的某一双蜗壳泵进行水力性能、压力脉动、径向力的分析，尚无对由单蜗壳转化为双蜗壳的主要部件——隔板——进行结构设计的相关内容。因此，隔板位置、形状对双吸泵的水力特性及叶轮径向力的影响效果尚不明确。随着计算机技术的日新月异和计算流体动力学的迅速发展，通过对过流部件的全三维流道数值模拟，预测泵的水力性能及得到流场中的非对称性受力，已成为可能。到目前为止，尚无对双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法进行数值模拟的研究，而不合理的隔板设计会导致泵的扬程和效率大幅度减小，进而无法满足泵的实际工作要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法及该方法制作的产品，其能在保持泵的原有水力性能的条件下，最大程度地减少叶轮径向力，为实际工程应用提供理论依据。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法，其包括以下步骤：1)以蜗壳基圆最低端为起点，逆时针方向旋转，在旋转180°～225°之间选取若干个位置作为隔板的起始位置；2)分别将各起始位置构成的双蜗壳式双吸泵进行三维造型及网格化分，将划分好的网格模型导入到CFD商业软件——ANSYS-CFX中进行数值模拟计算，采用雷诺时均法和SSTk-ω湍流模型，并根据双蜗壳双吸泵的实际运行工况范围，将进口流量条件、出口压力条件、和假设壁面为水力光滑壁面并按对数律给定无滑移边界条件作为参数和初始条件输入模型进行模拟；3)根据模拟结果进行计算，得到各起始位置下，双蜗壳式双吸泵与单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图；4)通过分析流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图，选取双蜗壳式双吸泵的各流量-扬程、流量-效率曲线中与单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线最相近，以及叶轮径向力最小的曲线所对应的起始位置，作为双蜗壳式双吸泵隔板的起始位置；5)以蜗壳基圆最低端为起点，逆时针方向旋转，在旋转270°到扩散管的扩散段之间选取若干位置作为隔板的终止位置；6)采用与步骤2)相同的数值模拟方法对由隔板各终止位置构成的双蜗壳式双吸泵分别进行模拟；7)根据模拟结果进行相关计算，得到各终止位置下，双蜗壳式双吸泵与未加隔板的单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图；8)通过分析流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图，选取双蜗壳式双吸泵的各流量-扬程、流量-效率曲线中与单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线最相近，以及叶轮径向力最小的曲线所对应的终止位置，作为双蜗壳式双吸泵隔板的终止位置；9)双蜗壳式双吸泵隔板的起始位置到终止位置之间采用圆弧过渡，圆弧过渡采用的曲线方程为对数螺旋线方程：
其中，R3为蜗壳的基圆半径；e为自然对数；
为以基圆的圆心为顶点，以隔舌所在截面和蜗壳内任一截面为边所构成的夹角；α3为叶轮出口的绝对速度角，Q为设计流量，b为叶轮的出口宽度，
K2为常数，g为当地重力加速度，Ht为理论扬程，ω为叶轮角速度；10)双蜗壳式双吸泵隔板优化完成。
所述步骤4)中，确定的隔板的起始位置为隔舌绕基圆旋转180°；所述步骤8)中，确定的隔板的终止位置为上述起始位置绕基圆继续旋转180°。
采用上述双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法制作的双蜗壳式双吸泵隔板及双蜗壳式双吸泵。
所述隔板的起始位置为隔舌绕基圆旋转180°，所述隔板的终止位置为上述起始位置绕基圆继续旋转180°；所述隔板弧度的曲线方程为对数螺旋线方程。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于将蜗壳内隔板的最佳起始位置设置为隔舌绕基圆旋转180°，因此，可以将蜗壳内部分为对称的两个流道，阻止叶片出口高速液流与低速液流的相遇撞击，使液流可较平稳地绕过隔板头部从而流入蜗壳内部。2、本发明由于将蜗壳内隔板的终止位置设置为隔板起始位置绕基圆旋转180°，因此，可以使隔板两侧同时受到液流的动反力的作用，有效地平衡叶轮径向力，同时避免在蜗壳的扩散管产生涡流区使液体能量损失增加，导致泵的泵扬程和效率下降，使该双蜗壳式双吸泵保持原有的水力性能。3、本发明由于采用对数螺旋线方程，将隔板的起始位置和终止位置进行圆弧过渡，因此，符合沿封闭周线的速度环量等于零的设计理论，具有在设计流量和非设计流量时，隔板对叶轮径向力的削减效果最为明显的优点。本发明的方法操作方便，能够为实际工程应用提供理论依据，本发明的结构能够在保持泵的原有水力性能的条件下，最大程度地减少叶轮径向力，因此，本发明可广泛用于双蜗壳式双吸泵的产品设计中。
附图说明
图1是本发明双蜗壳式双吸泵的结构示意图
图2是图1的A-A剖视示意图
图3是本发明将蜗壳划分截面示意图
图4是本发明隔板起始位置优化方案的结构示意图
图5是本发明隔板起始位置优化方案的外特性曲线图
图6是本发明隔板起始位置优化方案的叶轮径向力随流量分布图
图7是本发明隔板终止位置优化方案的结构示意图
图8是本发明隔板终止位置优化方案的外特性曲线图
图9是本发明隔板终止位置优化方案的叶轮径向力随流量分布图
图10是本发明最终确定的隔板位置示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，双蜗壳式双吸泵包括蜗壳1，蜗壳1内设置有叶轮2，叶轮2入口设置半螺旋型吸入室3。蜗壳1包括蜗形体4和扩散管5，沿蜗形体4的旋转弧度，以及扩散管5的扩散段设置有一隔板6，隔板6将蜗壳1的内部分成两个流道。水流经半螺旋型吸入室3进入叶轮2，经叶轮2带动旋转后流入蜗壳1，水流通过蜗形体4内的两个流道旋转流动后，经扩散管5流出。
本发明的目的是在保持双蜗壳式双吸泵原有水力性能的前提条件下，最大程度地削减叶轮2的径向力，而达到该目的主要需要考虑的影响因素是：蜗壳1内，隔板6设置的起始位置和终止位置。
基于上述目的，本发明方法包括以下步骤：
1)如图3所示，以蜗形体4的底部结束位置作为截面VIII，截面VIII绕蜗形体4的基圆7向隔舌8的方向旋转，每旋转45°做一截面，依次为截面I、II、III、IV、V、VI、VII。
2)如图4所示，在截面IV到截面V之间，包括截面IV和截面V的位置，选取若干个位置作为隔板6的起始位置。本实施例中，选取的隔板6的起始位置为两个，分别为：将蜗壳1截面Ⅳ的位置作为起始位置一H1，将隔舌8绕基圆7旋转180°的位置作为起始位置二H2。
3)分别将由隔板6的各起始位置构成的双蜗壳式双吸泵分别进行三维造型及网格化分，将划分好的网格模型导入到CFD商业软件——ANSYS-CFX中进行数值模拟计算，采用雷诺时均法(RANs)和SSTk-ω湍流模型，根据双蜗壳双吸泵的实际运行工况范围，边界条件采用进口流量条件、出口压力条件，以及假设壁面为水力光滑壁面，并按对数律给定无滑移边界条件，进行数值模拟。
4)如图5、图6所示，根据模拟结果进行相关计算，得到各起始位置下，双蜗壳式双吸泵与未加隔板的单蜗壳泵的外特性曲线图、叶轮径向力随流量分布图。通过外特性曲线图中的流量-扬程、流量-效率曲线比较，可看出在不同的流量下，起始位置二H2的扬程、效率与未加隔板的单蜗壳泵基本持平，即保持泵的原有水力性能；同时由叶轮径向力随流量分布图可看出，起始位置二H2的叶轮径向力平均减少到单蜗壳径向力的1/2，为起始位置一H1时的叶轮径向力的1/4。
由此可得出：采用起始位置二H2，即隔舌8绕基圆7旋转180°作为隔板6的起始位置时，双蜗壳式双吸泵既保持泵的原有水力性能，同时又最大程度地削减了叶轮径向力。至此隔板6的起始位置可以确定。
5)如图7所示，在蜗壳1的截面VI位置到扩散管5的扩散段之间选取若干位置作为隔板的终止位置。本实施例中，隔板6的终止位置列举了三个，分别为以起始位置二H2绕基圆7旋转90°作为终止位置一F1，以起始位置二H2绕基圆7旋转180°作为终止位置二F2，将扩散管5的1/3处作为终止位置三F3。
6)采用与步骤3)相同的数值模拟方法对由隔板6的各终止位置构成的双蜗壳式双吸泵分别进行模拟。
7)如图8、图9所示，根据模拟结果进行相关计算，得到各终止位置下，双蜗壳式双吸泵与未加隔板的单蜗壳泵的外特性曲线图、叶轮径向力随流量分布图。通过外特性曲线图中的流量-扬程、流量-效率曲线比较可看出，在不同的流量下，隔板6的任一终止位置都会使泵的扬程、效率有所下降，其中终止位置二F2和终止位置三F3处的扬程、效率下降较少，终止位置一F1处的扬程、效率下降较多。由叶轮径向力随流量分布图可看出，终止位置一F1的叶轮径向力远高于终止位置二F2和终止位置三F3的叶轮径向力；终止位置二F2的叶轮径向力分布较均匀，平均减少到单蜗壳径向力的1/2；终止位置三F3的叶轮径向力平均也减少到单蜗壳径向力的1/2，但在小流量工况下(Q ≤1000m3/h)的叶轮径向力远高于终止位置二F1和终止位置三F2。
由此可得出：采用终止位置二F2，即起始位置二H2绕基圆旋转180°作为隔板6的终止位置时，双蜗壳式双吸泵既保持泵的原有水力性能，同时又最大程度地削减了叶轮径向力。至此隔板6的终止位置可以确定。
8)如图10所示，由上述步骤可以确定蜗壳1内隔板6的起始位置为隔舌8绕基圆7旋转180°；终止位置为该确定的起始位置绕基圆7旋转180°。隔板6的起始位置到终止位置之间采用圆弧过渡，圆弧过渡采用的曲线方程为对数螺旋线方程：
其中，R3为蜗壳1的基圆半径；e为自然对数；
为以基圆7的圆心为顶点，以隔舌8所在截面和蜗壳1内任一截面为边所构成的夹角；α3为叶轮2出口的绝对速度角，Q为设计流量，b为叶轮2的出口宽度，K2为常数，g为当地重力加速度，Ht为理论扬程，ω为叶轮角速度。
9)双蜗壳式双吸泵隔板优化完成。
采用上述优化方法，可以得到本发明双蜗壳式双吸泵隔板结构，即在蜗壳1内设置隔板6，隔板6的起始位置为隔舌8绕基圆7旋转180°，该起始位置绕基圆7继续旋转180°为隔板6的终止位置，隔板6的起始位置和终止位置之间采用圆弧过渡，圆弧过渡采用的曲线方程为对数螺旋线方程：
其中，R3为蜗壳1的基圆半径；e为自然对数；
为以基圆7的圆心为顶点，以隔舌8所在截面和蜗壳1内任一截面为边所构成的夹角；α3为叶轮2出口的绝对速度角，Q为设计流量，b为叶轮2的出口宽度，
K2为常数，g为当地重力加速度，Ht为理论扬程，ω为叶轮角速度。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法，其包括以下步骤：
1)以蜗壳基圆最低端为起点，逆时针方向旋转，在旋转180°～225°之间选取若干个位置作为隔板的起始位置；
2)分别将各起始位置构成的双蜗壳式双吸泵进行三维造型及网格化分，将划分好的网格模型导入到CFD商业软件——ANSYS-CFX中进行数值模拟计算，采用雷诺时均法和SSTk-ω湍流模型，并根据双蜗壳双吸泵的实际运行工况范围，将进口流量条件、出口压力条件、和假设壁面为水力光滑壁面并按对数律给定无滑移边界条件作为参数和初始条件输入模型进行模拟；
3)根据模拟结果进行计算，得到各起始位置下，双蜗壳式双吸泵与未加隔板的单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图；
4)通过分析流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图，选取双蜗壳式双吸泵的各流量-扬程、流量-效率曲线中与未加隔板的单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线最相近，以及叶轮径向力最小的曲线所对应的起始位置，作为双蜗壳式双吸泵隔板的起始位置；
5)以蜗壳基圆最低端为起点，逆时针方向旋转，在旋转270°到扩散管的扩散段之间选取若干位置作为隔板的终止位置；
6)采用与步骤2)相同的数值模拟方法对由隔板各终止位置构成的双蜗壳式双吸泵分别进行模拟；
7)根据模拟结果进行相关计算，得到各终止位置下，双蜗壳式双吸泵与未加隔板的单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图；
8)通过分析流量-扬程、流量-效率曲线图和叶轮径向力随流量分布图，选取双蜗壳式双吸泵的各流量-扬程、流量-效率曲线中与未加隔板的单蜗壳泵的流量-扬程、流量-效率曲线最相近，以及叶轮径向力最小的曲线所对应的终止位置，作为双蜗壳式双吸泵隔板的终止位置；
9)双蜗壳式双吸泵隔板的起始位置到终止位置之间采用圆弧过渡，圆弧过渡采用的曲线方程为对数螺旋线方程：
其中，R3为蜗壳的基圆半径；e为自然对数；
为以基圆的圆心为顶点，以隔舌所在截面和蜗壳内任一截面为边所构成的夹角；
α3为叶轮出口的绝对速度角，Q为设计流量，b为叶轮的出口宽度，
K2为常数，g为当地重力加速度，Ht为理论扬程，ω为叶轮角速度；
10)双蜗壳式双吸泵隔板优化完成。
2.如权利要求1所述的一种双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，确定的隔板的起始位置为隔舌绕基圆旋转180°；所述步骤8)中，确定的隔板的终止位置为上述起始位置绕基圆继续旋转180°。
3.采用如权利要求1或2所述双蜗壳式双吸泵隔板的优化方法制作的双蜗壳式双吸泵隔板。
4.如权利要求3所述的双蜗壳式双吸泵隔板，其特征在于：所述隔板的起始位置为隔舌绕基圆旋转180°，所述隔板的终止位置为上述起始位置绕基圆继续旋转180°；所述隔板弧度的曲线方程为对数螺旋线方程。
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