沖壓多級離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)與流動特性分析.pdf

1、隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械自動化程度日益提高，不銹鋼板材沖壓產(chǎn)品發(fā)展迅速。同時由于人們對環(huán)保意識的廣泛認(rèn)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(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，得到社會相關(guān)行業(yè)的深切重視。因此本文的研究不僅具有極大的實(shí)用價值，同時也能夠產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會效益。
　　該泵將板材沖壓工藝、金屬焊接工藝與水力設(shè)計(jì)進(jìn)行了完美的結(jié)合，體現(xiàn)了濃重的現(xiàn)代工藝制造特點(diǎn)，而現(xiàn)有的水力設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能充分滿足設(shè)計(jì)上

2、的需求。隨著國內(nèi)沖壓泵生產(chǎn)廠家數(shù)量不斷增多，許多沖壓泵產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)問題亟待解決及突破。
　　本文在總結(jié)水泵設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，以一臺典型沖壓多級離心泵的性能要求作為目標(biāo)，將多目標(biāo)模糊優(yōu)化方法作為工具，進(jìn)行過流部件的水力設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過CFD計(jì)算手段獲得預(yù)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，考證模糊優(yōu)化方法的可行性;在對內(nèi)部流場分析的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)方法并拓展模糊優(yōu)化的應(yīng)用范圍。以

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

4、影響復(fù)雜，并在一定范圍內(nèi)存在最優(yōu)組合。
　　3.介紹了模糊優(yōu)化算法的發(fā)展及應(yīng)用，根據(jù)產(chǎn)品性能要求在設(shè)計(jì)工況下建立含有理論揚(yáng)程最大與軸功率最小的多目標(biāo)函數(shù);結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(jù)此進(jìn)行沖壓多級離心泵葉輪及導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)。采用Creo2.0繪制過流部件三維實(shí)體模型，同時闡述了葉輪及導(dǎo)葉制造方式及工藝特點(diǎn)。
　　4.對數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，基于ICEM CFD高質(zhì)

5、量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對該沖壓多級離心泵進(jìn)行兩級泵體的全流場穩(wěn)態(tài)模擬。通過與實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)及大流量工況處數(shù)值模擬準(zhǔn)確性程度較高，同時也驗(yàn)證了模糊優(yōu)化方法基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求及在水泵設(shè)計(jì)應(yīng)用上的可行性。
　　5.經(jīng)過對內(nèi)部流動特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生較大的波動。通過靜壓分析，表明整體式葉片對非設(shè)計(jì)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(nèi)部旋渦現(xiàn)象影響較大，不同工況下首級葉輪內(nèi)部流態(tài)均好于次級葉輪。葉輪內(nèi)部出現(xiàn)流動紊亂、旋渦現(xiàn)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(dǎo)葉內(nèi)部流場分布較為復(fù)雜，并且部分反導(dǎo)葉流道進(jìn)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(nèi)部的旋渦區(qū)域占據(jù)了大部分流道面積;隨著流量增加旋渦區(qū)域向反

7、導(dǎo)葉進(jìn)口處移動，而在反導(dǎo)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(yáng)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(zhuǎn)子-葉輪部件和靜子-導(dǎo)葉部件之間的動靜干涉作用導(dǎo)致液體流動發(fā)生非定常周期性的變化。研究發(fā)現(xiàn)“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部流動狀態(tài)異常復(fù)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(jìn)行分析，表明正導(dǎo)葉具有穩(wěn)流、削弱動靜干涉影響的作用。在泵體內(nèi)部設(shè)置壓力監(jiān)測點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)受動靜轉(zhuǎn)子影響，葉輪內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)在一個周期里呈現(xiàn)出9個相似的波形。靜壓波動均值從葉輪進(jìn)口到葉輪出口逐漸增大。導(dǎo)葉內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)在一個周期里呈現(xiàn)出6個相似的波形，其中正導(dǎo)葉進(jìn)口邊附近位置壓力脈動較為劇烈，遠(yuǎn)離該位置壓力脈動逐漸平緩。這表明泵體內(nèi)葉輪和正導(dǎo)葉進(jìn)口邊是壓力脈動的主要來源，隨著遠(yuǎn)離該位置脈動信號不斷衰減。經(jīng)過頻域分析