旋涡泵流道的研究

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旋涡泵具有流量小、扬程高的特点,且结构简单,在工业生产、农林灌溉中广泛运用。旋涡泵工作原理特殊,工作效率普遍偏低,对旋涡泵进行研究具有重要意义。对旋涡泵性能影响较大的主要有三个方面:叶轮型式、隔板间隙和流道型式。流道对旋涡泵的影响因素有流道截面形状、进出口位置和隔板宽度,本文主要对旋涡泵流道截面形状进行研究。旋涡泵运行时,主要依靠旋涡传递能量,其内部流动状态复杂,用理论的方法来预测旋涡泵流道内的流动还比较困难,现阶段对旋涡泵的流道的设计主要以现有产品为模型进行修改,或者根据经验参数设计。  本文以浙江某企业生产的XKM80-1型旋涡泵为研究对象,以提升性能为目的,对其流道进行研究。资料表明,不同尺度的旋涡对旋涡泵内的能量传递及耗散有很大影响,能量主要通过小尺度涡耗散。运用数值模拟的方法,对研究对象内部流动状态进行分析,得出旋涡泵流道内小尺度涡的产生部位,结合现有的设计流量与截面面积的关系理论,对旋涡泵流道的截面形状进行改变,以改善流道内的流动状态,减少小尺度涡对能量的耗散,提升旋涡泵的性能。为了达到这一目的,所做的主要工作及研究成果有:  1、采用数值计算的方法对旋涡泵的外特性、内流场进行数值模拟,分析了泵内流动状态,得出了流道截面的速度、压力、涡量的分布规律。  2、基于数值计算结果,分析流道截面的流动规律,发现流道截面上的流动在叶轮出口处至流道壁之间存在回流并且叶轮的出流与流道壁形成直接冲击,形成大量的小尺度涡,造成了能量损失。分析得出:在叶轮的出口处,径向速度相对较小,流体质点所具有的动能不能克服工作流体的粘性到达流道壁面,形成一个完整的大尺度涡;在叶轮出口与流道壁面的中间位置,工作流体提前转捩,在靠近流道壁面位置形成反向旋涡,两个反向旋涡伴随着小尺度涡,消耗了机械能,造成能量浪费。  3、基于流道截面面积决定流量的理论,提出了一种M型流道,“M”是一种象形,即流道壁面中间部位存在下凹部分的方案,考虑到进出口的引流作用,下凹部分在进出口部位平滑过渡。采用数值模拟的方法对提出的M型流道进行计算,将计算结果与原研究对象的计算结果对比。结果表明:M型流道在扬程与效率上均有所提升,但是M型流道由于过流面积增加,工作流体与流道壁面的摩擦损失也增加。  4、对改进的M型流道进行试验。考虑到开模的成本与周期,采用简化的“增补”的方法获得M型流道并对其试验,试验所得结果与数值计算结果基本匹配。M型流道能够提升旋涡泵的扬程与效率。  本文以流道截面面积不变理论为依据,改变流道的截面形状,改善流道内的流动状态,减少旋涡泵流道内的小尺度涡,提升了旋涡泵的性能。M型流道的提出在流道的截面设计上是一个创新,能够开拓流道的设计思路,具有一定的理论价值和工程意义。
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