大型双吸离心泵的优化设计

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大型双吸离心泵的优化设计

摘要

双吸离心泵是应用非常广泛的通用机械，广泛应用于各个行业，对它的优化设计是十分重要的。现阶段主要通过速度系数法、极值损失法和基于流场情况进行优化设计，找出影响水力性能的主要影响因素，对其进行合理的优化设计。

关键词

      双吸离心泵  优化设计  数值模拟

一、    研究现状

1.课题意义

泵是一种应用非常广泛的通用机械，它广泛应用于石油化工、给水排水、能源电力、钢铁冶金等各个领域，离心泵类产品是一种广泛应用在各个工程领域且非常重要的通用机械产品。双吸清水离心泵是泵类产品中数量多、用途广泛的一种产品，在国家经济建设各个领域中得到普遍应用。在目前工程领域内，国内外的双吸清水离心泵产品都占有较大的市场份额。

双吸离心泵的叶轮是由两个背靠背的单吸叶轮组合而成的，因而在同样的扬程下,其流量比其它离心泵要大，效率比相同比转速的单吸泵高。双吸泵的形状对称, 两侧的轴向力互相抵消, 平衡性较好且便于维修。单级双吸离心泵为中开式，不需拆卸进出水管路即可打开泵盖，吊出转子，检修十分方便。由于双吸泵有这些优点，所以在水厂、电厂、钢厂、市政和建筑等部门获得非常广泛的应用。

2.国内外研究现状

国外目前主要有德国KSB公司生产的RDL和Omega型双吸泵，美国PENTAIR（滨特尔）公司生产的AURORA410和PWTS系列。与国内产品相比，国外的双吸泵有以下特点：（1）性能范围很广，像KSB公司双吸泵除低扬程泵品种较少外，共计54个品种，泵进口直径100~1000mm，流量80~13680m3/h，扬程14~180m。（2）结构紧凑，强度刚度好，可立卧两用，可装机械密封或填料密封。（3）同一泵体装A、B两种叶轮，每个叶轮切割三次。这样每种泵有8个性能曲线，大大扩大了泵的性能范围，为选泵创造了有利条件。（4）吸水室大部分设在下泵体上，上泵盖呈平凸形。传统泵的上泵盖上有一部分吸水室，泵盖成山形。（5）造型美观。（6）泵的过流量大。（7）低比转速产品效率非常高[5]。

国内现有的单级双吸中开泵主要有SH型和S型。国内对双吸泵产品的需求日益增加，急需开发具有国外同类产品水平的新系列双吸泵。几年来我们的在这方面作了一些工作，开发了OS型系列产品。由几家泵厂试制生产，基本上达到了预期的要求，市场形势很好。新系列产品参数与KSB产品相同，共54个品种。在结构上吸收了国外产品的特点，可以立、卧安装，可使用机械密封或填料密封。水力设计用自行开发的水力设计及绘型软件， 进行了精心设计。吸水室放于泵体上，压水室多采用矩形断面。部分产品经过二次改进设计，系列产品基本达到设计要求。但是依然存在很多问题，需要进一步的提高和改进。

二、       研究方法

根据现有的对离心泵的设计情况和发展方向的研究表明，对离心泵优化设计主要依靠相似设计法，目前主要有三种优化设计方法：速度系数法、极值损失法和基于流场情况的优化设计。

(1)速度系数法又称设计系数法，是Stepanoff于1948年提出的，它以已有的大量优秀水力模型为基础，统计出比转速和速度系数的关系（公式、曲线、数据），供设计新泵时使用。根据新的优秀水力模型及时更新比转速行．和速度系数的关系，就是速度系数法的优化问题。

(2)泵的效率与损失是紧密相联的，要提高效率就要减少损失，最高效率应该对应最小损失，损失极值法就是在这一思路下展开的。它以数学规划为理论基础，以计算机为工具，通过建立各种损失与泵几何参数的关系，在保证设计工况流量和扬程的情况下，寻求损失最小的泵几何参数组合。

(3)实现离心泵的流动数值模拟, 对于泵的优化设计、改善其水力性能以达到增效节能的目的具有重要的现实意义。近年来, 随着计算机性能的提高, 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics 简称CFD) 得到了飞速发展, 使得直接对离心泵内部流场进行三维粘性模拟计算, 用数值实验代替模型试验, 以进行性能预测成为可能。CFD商用软件FLUENT，选取标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法，对双吸离心泵节能改造前后泵内流道进行三维湍流数值模拟。

应用数值计算对叶轮内部流动进行分析，预估双吸泵的性能，对叶轮的不同参数进行分析比较优选，找出影响水力性能的主要影响因素，以获得更合理的优化设计方法和优化结果。

三、       存在的问题

填料对轴套表面和填料函内壁具有接触力，随着压盖的进一步压紧，这种接触力就逐渐加大，这也就提高了填料与轴套的动密封和填料与填料函内壁的静密封的能力。但是这种接触力的大小在填料函内沿轴线方向并非处处相等，而是离压盖越远，接触力越小，靠近最里边填料的接触力甚至为零。压盖压得越紧，则填料与轴套贴合得越紧，此时若填料与轴套间的介质泄漏量为零的话，因摩擦而产生的热量则会加大，轴套会磨损，填料有被烧损的可能。在使用单级双吸离心泵尤其是扬程大于50m的中高扬程的单级双吸离心泵时，来自压水室的密封水压力大，有时就会出现密封的外边三圈填料压得冒烟了也还封不住水，外边三圈填料很快失效，有的使用不到一个月就需要换新填料。

填料环最里边的两圈填料相对而言压得不紧，时有进气现象，影响泵的启动；在泵运行时，从压水室过来的高压水绝大部分从最里边的两圈未压紧的填料内孔处流进泵吸水室，从而造成外面三圈填料处无水泄漏到外面，填料密封很快失效，对泵运行中的容积效率有影响。

四、       总结

近十年来，国内单级双吸泵的水力性能研究没有得到顺利发展，产品的技术水平一直徘徊在上世纪七八十年代的水平，导致与国外的技术差距越来越大。对比国内外的双吸泵技术水平，可以发现国内双吸泵产品普遍汽蚀余量好但效率差，而国外产品效率明显好，但汽蚀余量NPSH偏差，可靠性好。

双吸泵一般流量较大，扬程较高，所配的功率大，是一种耗能较大的设备。因此，使用单位对双吸泵的效率有较高的要求，而国内目前所生产的双吸泵效率普遍不太高，尤其是一些低比转速的双吸泵，其效率都比较低，有的泵效率达不到70%。通过预估双吸泵的性能，对叶轮的不同参数进行分析比较，找出影响水力性能的主要影响因素，获得更合理的优化设计方法和优化结果显得尤为重要。

姓名：白茂宁

学号：122080704020