一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法及該方法製作的產品的製作方法
2023-05-18 11:14:56 2
專利名稱：一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法及該方法製作的產品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種泵的優化方法及其產品，特別是關於一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的 優化方法及該方法製作的產品。
背景技術：
雙蝸殼式雙吸泵作為一種新形式的泵，其不僅繼承了單蝸殼式雙吸泵高揚程、大 流量、平衡軸向力等優點，理論上還可以有效地減少泵運行過程中產生的葉輪徑向力，改善 泵站系統的振動情況。
目前，不管是實驗室中的真機或者模型試驗，還是CFD數值模擬法，大多數還停留 在對給定的某一雙蝸殼泵進行水力性能、壓力脈動、徑向力的分析，尚無對由單蝸殼轉化為 雙蝸殼的主要部件——隔板——進行結構設計的相關內容。因此，隔板位置、形狀對雙吸泵 的水力特性及葉輪徑向力的影響效果尚不明確。隨著計算機技術的日新月異和計算流體動 力學的迅速發展，通過對過流部件的全三維流道數值模擬，預測泵的水力性能及得到流場 中的非對稱性受力，已成為可能。到目前為止，尚無對雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法進行 數值模擬的研究，而不合理的隔板設計會導致泵的揚程和效率大幅度減小，進而無法滿足 泵的實際工作要求。發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法及該方 法製作的產品，其能在保持泵的原有水力性能的條件下，最大程度地減少葉輪徑向力，為實 際工程應用提供理論依據。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方 法，其包括以下步驟1)以蝸殼基圓最低端為起點，逆時針方向旋轉，在旋轉180° 225° 之間選取若干個位置作為隔板的起始位置；幻分別將各起始位置構成的雙蝸殼式雙吸泵 進行三維造型及網格化分，將劃分好的網格模型導入到CFD商業軟體——ANSYS-CFX中進 行數值模擬計算，採用雷諾時均法和SSTk-ω湍流模型，並根據雙蝸殼雙吸泵的實際運行 工況範圍，將進口流量條件、出口壓力條件、和假設壁面為水力光滑壁面並按對數律給定無 滑移邊界條件作為參數和初始條件輸入模型進行模擬；幻根據模擬結果進行計算，得到各 起始位置下，雙蝸殼式雙吸泵與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨 流量分布圖；4)通過分析流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖，選取 雙蝸殼式雙吸泵的各流量-揚程、流量-效率曲線中與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效 率曲線最相近，以及葉輪徑向力最小的曲線所對應的起始位置，作為雙蝸殼式雙吸泵隔板 的起始位置；5)以蝸殼基圓最低端為起點，逆時針方向旋轉，在旋轉270°到擴散管的擴散 段之間選取若干位置作為隔板的終止位置；6)採用與步驟幻相同的數值模擬方法對由隔 板各終止位置構成的雙蝸殼式雙吸泵分別進行模擬；7)根據模擬結果進行相關計算，得到 各終止位置下，雙蝸殼式雙吸泵與未加隔板的單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖；8)通過分析流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流 量分布圖，選取雙蝸殼式雙吸泵的各流量-揚程、流量-效率曲線中與單蝸殼泵的流量-揚 程、流量-效率曲線最相近，以及葉輪徑向力最小的曲線所對應的終止位置，作為雙蝸殼式 雙吸泵隔板的終止位置；9)雙蝸殼式雙吸泵隔板的起始位置到終止位置之間採用圓弧過 渡，圓弧過渡採用的曲線方程為對數螺旋線方程
其中，R3為蝸殼的基圓半徑；e為自然對數少為以基圓的圓心為頂點，以隔舌所在 截面和蝸殼內任一截面為邊所構成的夾角·Μ、:^￡2 』 α 3為葉輪出口的絕對速度角，Q為設計流量，b為葉輪的出口寬度，A=M，1(2為常數，g為當地重力加速度，Ht為理論揚ω程，ω為葉輪角速度；10)雙蝸殼式雙吸泵隔板優化完成。
所述步驟4)中，確定的隔板的起始位置為隔舌繞基圓旋轉180° ；所述步驟8)中， 確定的隔板的終止位置為上述起始位置繞基圓繼續旋轉180°。
採用上述雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法製作的雙蝸殼式雙吸泵隔板及雙蝸殼 式雙吸泵。
所述隔板的起始位置為隔舌繞基圓旋轉180°，所述隔板的終止位置為上述起始 位置繞基圓繼續旋轉180° ；所述隔板弧度的曲線方程為對數螺旋線方程。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於將蝸殼內隔板的 最佳起始位置設置為隔舌繞基圓旋轉180°，因此，可以將蝸殼內部分為對稱的兩個流道， 阻止葉片出口高速液流與低速液流的相遇撞擊，使液流可較平穩地繞過隔板頭部從而流入 蝸殼內部。2、本發明由於將蝸殼內隔板的終止位置設置為隔板起始位置繞基圓旋轉180°， 因此，可以使隔板兩側同時受到液流的動反力的作用，有效地平衡葉輪徑向力，同時避免在 蝸殼的擴散管產生渦流區使液體能量損失增加，導致泵的泵揚程和效率下降，使該雙蝸殼 式雙吸泵保持原有的水力性能。3、本發明由於採用對數螺旋線方程，將隔板的起始位置和 終止位置進行圓弧過渡，因此，符合沿封閉周線的速度環量等於零的設計理論，具有在設計 流量和非設計流量時，隔板對葉輪徑向力的削減效果最為明顯的優點。本發明的方法操作 方便，能夠為實際工程應用提供理論依據，本發明的結構能夠在保持泵的原有水力性能的 條件下，最大程度地減少葉輪徑向力，因此，本發明可廣泛用於雙蝸殼式雙吸泵的產品設計 中。
圖1是本發明雙蝸殼式雙吸泵的結構示意圖
圖2是圖1的A-A剖視示意圖
圖3是本發明將蝸殼劃分截面示意圖
圖4是本發明隔板起始位置優化方案的結構示意圖
圖5是本發明隔板起始位置優化方案的外特性曲線圖
圖6是本發明隔板起始位置優化方案的葉輪徑向力隨流量分布圖
圖7是本發明隔板終止位置優化方案的結構示意圖
圖8是本發明隔板終止位置優化方案的外特性曲線圖
圖9是本發明隔板終止位置優化方案的葉輪徑向力隨流量分布圖
圖10是本發明最終確定的隔板位置示意圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖1、圖2所示，雙蝸殼式雙吸泵包括蝸殼1，蝸殼1內設置有葉輪2，葉輪2入口 設置半螺旋型吸入室3。蝸殼1包括蝸形體4和擴散管5，沿蝸形體4的旋轉弧度，以及擴 散管5的擴散段設置有一隔板6，隔板6將蝸殼1的內部分成兩個流道。水流經半螺旋型吸 入室3進入葉輪2，經葉輪2帶動旋轉後流入蝸殼1，水流通過蝸形體4內的兩個流道旋轉 流動後，經擴散管5流出。
本發明的目的是在保持雙蝸殼式雙吸泵原有水力性能的前提條件下，最大程度地 削減葉輪2的徑向力，而達到該目的主要需要考慮的影響因素是鍋殼1內，隔板6設置的 起始位置和終止位置。
基於上述目的，本發明方法包括以下步驟
1)如圖3所示，以蝸形體4的底部結束位置作為截面VIII，截面VIII繞蝸形體4 的基圓7向隔舌8的方向旋轉，每旋轉45°做一截面，依次為截面I、II、III、IV、V、VI、VII。
2)如圖4所示，在截面IV到截面V之間，包括截面IV和截面V的位置，選取若干 個位置作為隔板6的起始位置。本實施例中，選取的隔板6的起始位置為兩個，分別為將 蝸殼1截面IV的位置作為起始位置一 H1,將隔舌8繞基圓7旋轉180°的位置作為起始位~- H2ο
3)分別將由隔板6的各起始位置構成的雙蝸殼式雙吸泵分別進行三維造型及網 格化分，將劃分好的網格模型導入到CFD商業軟體——ANSYS-CFX中進行數值模擬計算，採 用雷諾時均法(RANs)和SSTk-ω湍流模型，根據雙蝸殼雙吸泵的實際運行工況範圍，邊界 條件採用進口流量條件、出口壓力條件，以及假設壁面為水力光滑壁面，並按對數律給定無 滑移邊界條件，進行數值模擬。
4)如圖5、圖6所示，根據模擬結果進行相關計算，得到各起始位置下，雙蝸殼式雙 吸泵與未加隔板的單蝸殼泵的外特性曲線圖、葉輪徑向力隨流量分布圖。通過外特性曲線 圖中的流量-揚程、流量-效率曲線比較，可看出在不同的流量下，起始位置二壓的揚程、 效率與未加隔板的單蝸殼泵基本持平，即保持泵的原有水力性能；同時由葉輪徑向力隨流 量分布圖可看出，起始位置二吐的葉輪徑向力平均減少到單蝸殼徑向力的1/2，為起始位置 -H1時的葉輪徑向力的1/4。
由此可得出採用起始位置二 H2,即隔舌8繞基圓7旋轉180°作為隔板6的起始 位置時，雙蝸殼式雙吸泵既保持泵的原有水力性能，同時又最大程度地削減了葉輪徑向力。 至此隔板6的起始位置可以確定。
5)如圖7所示，在蝸殼1的截面VI位置到擴散管5的擴散段之間選取若干位置 作為隔板的終止位置。本實施例中，隔板6的終止位置列舉了三個，分別為以起始位置二 H2 繞基圓7旋轉90°作為終止位置一 F1，以起始位置二 H2繞基圓7旋轉180°作為終止位置二 F2，將擴散管5的1/3處作為終止位置三F3。
6)採用與步驟幻相同的數值模擬方法對由隔板6的各終止位置構成的雙蝸殼式 雙吸泵分別進行模擬。
7)如圖8、圖9所示，根據模擬結果進行相關計算，得到各終止位置下，雙蝸殼式雙 吸泵與未加隔板的單蝸殼泵的外特性曲線圖、葉輪徑向力隨流量分布圖。通過外特性曲線 圖中的流量-揚程、流量-效率曲線比較可看出，在不同的流量下，隔板6的任一終止位置 都會使泵的揚程、效率有所下降，其中終止位置二 F2和終止位置三&處的揚程、效率下降較 少，終止位置一 F1處的揚程、效率下降較多。由葉輪徑向力隨流量分布圖可看出，終止位置 一 F1的葉輪徑向力遠高於終止位置二 F2和終止位置三F3的葉輪徑向力；終止位置二 F2的 葉輪徑向力分布較均勻，平均減少到單蝸殼徑向力的1/2 ；終止位置三F3的葉輪徑向力平 均也減少到單蝸殼徑向力的1/2，但在小流量工況下⑴^ IOOOmVh)的葉輪徑向力遠高於 終止位置二 F1和終止位置三F2。
由此可得出採用終止位置二F2,即起始位置二H2繞基圓旋轉180°作為隔板6的 終止位置時，雙蝸殼式雙吸泵既保持泵的原有水力性能，同時又最大程度地削減了葉輪徑 向力。至此隔板6的終止位置可以確定。
8)如圖10所示，由上述步驟可以確定蝸殼1內隔板6的起始位置為隔舌8繞基圓 7旋轉180° ；終止位置為該確定的起始位置繞基圓7旋轉180°。隔板6的起始位置到終止位置之間採用圓弧過渡，圓弧過渡採用的曲線方程為對數螺旋線方程
=Vgci3ip
其中，R3為蝸殼1的基圓半徑；e為自然對數少為以基圓7的圓心為頂點，以隔舌 8所在截面和蝸殼1內任一截面為邊所構成的夾角^a3，α 3為葉輪2出口的絕對速度角，Q為設計流量，b為葉輪2的出口寬度，^2差，K2為常數，g為當地重力加速度，ω 『Ht為理論揚程，ω為葉輪角速度。
9)雙蝸殼式雙吸泵隔板優化完成。
採用上述優化方法，可以得到本發明雙蝸殼式雙吸泵隔板結構，即在蝸殼1內設 置隔板6，隔板6的起始位置為隔舌8繞基圓7旋轉180°，該起始位置繞基圓7繼續旋轉 180°為隔板6的終止位置，隔板6的起始位置和終止位置之間採用圓弧過渡，圓弧過渡採 用的曲線方程為對數螺旋線方程
R = R/8^
其中，R3為蝸殼1的基圓半徑；e為自然對數少為以基圓7的圓心為頂點，以隔舌 8所在截面和蝸殼1內任一截面為邊所構成的夾角 ，屯、=^~2』 α 3為葉輪2出口的絕對速度角，Q為設計流量，b為葉輪2的出口寬度，^2 =^ K2為常數，g為當地重力加速度，ω 『Ht為理論揚程，ω為葉輪角速度。
上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的 保護範圍之外。
權利要求
1.一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法，其包括以下步驟1)以蝸殼基圓最低端為起點，逆時針方向旋轉，在旋轉180° 225°之間選取若干個 位置作為隔板的起始位置；2)分別將各起始位置構成的雙蝸殼式雙吸泵進行三維造型及網格化分，將劃分好的 網格模型導入到CFD商業軟體——ANSYS-CFX中進行數值模擬計算，採用雷諾時均法和 SSTk-ω湍流模型，並根據雙蝸殼雙吸泵的實際運行工況範圍，將進口流量條件、出口壓力 條件、和假設壁面為水力光滑壁面並按對數律給定無滑移邊界條件作為參數和初始條件輸 入模型進行模擬；3)根據模擬結果進行計算，得到各起始位置下，雙蝸殼式雙吸泵與單蝸殼泵的流 量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖；4)通過分析流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖，選取雙蝸殼 式雙吸泵的各流量-揚程、流量-效率曲線中與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線最 相近，以及葉輪徑向力最小的曲線所對應的起始位置，作為雙蝸殼式雙吸泵隔板的起始位 置；5)以蝸殼基圓最低端為起點，逆時針方向旋轉，在旋轉270°到擴散管的擴散段之間 選取若干位置作為隔板的終止位置；6)採用與步驟幻相同的數值模擬方法對由隔板各終止位置構成的雙蝸殼式雙吸泵分 別進行模擬；7)根據模擬結果進行相關計算，得到各終止位置下，雙蝸殼式雙吸泵與未加隔板的單 蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖；8)通過分析流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖，選取雙蝸殼 式雙吸泵的各流量-揚程、流量-效率曲線中與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線最 相近，以及葉輪徑向力最小的曲線所對應的終止位置，作為雙蝸殼式雙吸泵隔板的終止位 置；9)雙蝸殼式雙吸泵隔板的起始位置到終止位置之間採用圓弧過渡，圓弧過渡採用的曲 線方程為對數螺旋線方程其中，R3為蝸殼的基圓半徑；e為自然對數少為以基圓的圓心為頂點，以隔舌所在截面 和蝸殼內任一截面為邊所構成的夾角W=^T2 , α 3為葉輪出口的絕對速度角，Q為設計流量，b為葉輪的出口寬度，& =^l，K2為常數，g為當地重力加速度，Ht為理論揚程，ωω 『為葉輪角速度；10)雙蝸殼式雙吸泵隔板優化完成。
2.如權利要求1所述的一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法，其特徵在於所述步驟 4)中，確定的隔板的起始位置為隔舌繞基圓旋轉180° ；所述步驟8)中，確定的隔板的終止 位置為上述起始位置繞基圓繼續旋轉180°。
3.採用如權利要求1或2所述雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法製作的雙蝸殼式雙吸泵 隔板及雙蝸殼式雙吸泵。
4.如權利要求3所述的雙蝸殼式雙吸泵隔板，其特徵在於所述隔板的起始位置為隔 舌繞基圓旋轉180°，所述隔板的終止位置為上述起始位置繞基圓繼續旋轉180° ；所述隔 板弧度的曲線方程為對數螺旋線方程。
全文摘要
本發明涉及一種雙蝸殼式雙吸泵隔板的優化方法及該方法製作的產品，其包括以下步驟選取由隔板的若干起始位置和若干終止位置構成的雙蝸殼式雙吸泵分別進行三維造型及網格化分，將劃分好的網格模型導入到ANSYS-CFX軟體進行數值模擬，得到各起始和各終止位置下，雙蝸殼式雙吸泵與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線圖和葉輪徑向力隨流量分布圖；通過分析曲線圖和分布圖，選取雙蝸殼式雙吸泵的各流量-揚程、流量-效率曲線與單蝸殼泵的流量-揚程、流量-效率曲線最相近，以及葉輪徑向力最小的曲線所對應的起始位置和終止位置，對應作為雙蝸殼式雙吸泵隔板的起始位置和終止位置；將起始位置到終止位置之間採用圓弧過渡，圓弧過渡採用的曲線方程為對數螺旋線方程優化完成。
文檔編號F04D29/42GK102032217SQ201010622168
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者呂騰飛, 王福軍, 肖若富 申請人:中國農業大學