高效低振動循環(huán)泵設(shè)計與試驗研究.pdf

1、本文是在國家杰出青年科學(xué)基金(50825902)資助下開展工作。循環(huán)泵是應(yīng)用最廣泛的離心泵之一，主要用于暖通空調(diào)和家用熱水循環(huán)系統(tǒng)。目前循環(huán)泵主要存在效率較低、振動噪聲水平較高等問題。隨著新能效法規(guī)的出臺和用戶對振動噪聲指標(biāo)的更高要求，如何在傳統(tǒng)離心泵設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化幾何參數(shù)提高循環(huán)泵的水力效率和降低循環(huán)泵的振動噪聲水平，成為一個重要的研究課題。本文采用理論分析、數(shù)值計算和試驗驗證相結(jié)合的方法對循環(huán)泵水力性能和振動噪聲特性進(jìn)行

2、了研究，旨在于建立一套基于CFD的高效低振動循環(huán)泵水力設(shè)計方法。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有:
　　 1.在傳統(tǒng)離心泵設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，在保證流量、揚程不變的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)速，使設(shè)計比轉(zhuǎn)速位于40-70的高效區(qū)，并結(jié)合正交試驗對循環(huán)泵的關(guān)鍵水力部件葉輪和蝸殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用理論分析和數(shù)值計算的方法對循環(huán)泵的水力性能指標(biāo)和振動特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:優(yōu)化后B50和C100循環(huán)泵的泵效率分別為82.3％和81.1％，滿足了

3、設(shè)計能效指標(biāo)要求并且超過了歐洲標(biāo)準(zhǔn)定義的離心泵最高可實現(xiàn)效率指標(biāo)。同時，較高的轉(zhuǎn)速，降低了葉輪的外徑，使循環(huán)泵整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，進(jìn)而降低了生產(chǎn)制造成本。
　　 2.改進(jìn)了循環(huán)泵蝸殼水力損失數(shù)學(xué)模型，考慮了葉輪與蝸殼間過渡段內(nèi)的水力損失及螺旋蝸殼內(nèi)的擴(kuò)散損失，預(yù)測循環(huán)泵整體水力性能，指導(dǎo)蝸殼水力優(yōu)化設(shè)計，試驗表明:蝸殼水力損失數(shù)學(xué)模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測循環(huán)泵內(nèi)的水力損失，計算損失誤差控制在5％之內(nèi)。
　　 3.結(jié)合正交試驗和

4、數(shù)值計算對循環(huán)泵葉輪和蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，分別以水力性能、葉片表面載荷、壓力脈動強(qiáng)度、徑向力脈動幅值這四個指標(biāo)作為水力模型最優(yōu)方案的判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過對比不同方案的計算結(jié)果，得到最優(yōu)方案B50SO和C100SO。從水力優(yōu)化設(shè)計過程中得出幾點結(jié)論:1）葉片流線安放角β是影響葉片載荷的關(guān)鍵參數(shù)，合理的流線安放角能有效地降低葉片上的載荷，改善葉輪流道內(nèi)的流動狀態(tài)，降低葉輪的振動水平。對于B50和C100葉輪研究對象而言，當(dāng)流線安放角β為25°時，

5、葉片表面的壓力載荷和相對速度載荷均最小。2）壓力脈動強(qiáng)度與蝸殼基圓直徑和喉部面積的大小成反比;徑向力脈動幅值與蝸殼基圓直徑的大小成反比;較大的蝸殼基圓直徑和適中的喉部面積能有效地降低循環(huán)泵的壓力脈動強(qiáng)度和徑向力脈動幅值，進(jìn)而降低振動。對于B50和C100循環(huán)泵而言，當(dāng)蝸殼基圓直徑D3分別為1.25D2和1.3D2時，具有較好的水力性能、較低的壓力脈動強(qiáng)度和較小的徑向力脈動幅值。3)首次提出了壓力脈動強(qiáng)度與蝸殼基圓直徑、喉部面積呈二次多項

6、式的函數(shù)關(guān)系，隨著蝸殼基圓直徑、喉部面積的變大，壓力脈動幅值逐漸變小，并最終趨近于一個極小值;徑向力脈動幅值與蝸殼基圓直徑呈二次多項式函數(shù)關(guān)系，隨著蝸殼基圓直徑的逐漸變大，徑向力脈動幅值逐漸趨近于一個極小值。
　　 4.對B50SO和C100SO方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣機(jī)試制，同時，為了降低泄露損失，創(chuàng)新設(shè)計了新型雙道口環(huán)密封結(jié)構(gòu)，以B50SO循環(huán)泵為研究對象，水力性能試驗表明:與單道口環(huán)密封結(jié)構(gòu)相比，雙道口環(huán)密封結(jié)構(gòu)的泵效率提升

7、了6％。
　　 5.首次在背景噪聲小于16dB的半消音室和固有頻率小于10Hz的振動試驗平臺上，根據(jù)ISO9906、ISO20361和ISO10816測試標(biāo)準(zhǔn)，采用麥克風(fēng)傳感器、壓力傳感器和振動加速度傳感器分別對B50SO模型和C100SO模型進(jìn)行了水力性能及振動噪聲試驗，試驗結(jié)果表明:B50SO模型和C100SO模型達(dá)到了設(shè)計要求。
　　 6.為了深入研究循環(huán)泵振動噪聲特性，以B50SO模型為研究對象，測量了不同流量和

8、轉(zhuǎn)速下的振動噪聲信號，采用1/3倍頻程濾波法對振動噪聲信號進(jìn)行提取，分析了振動噪聲與流量、轉(zhuǎn)速及壓力脈動之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了由流動分離引起的低頻噪聲主要存在于非設(shè)計工況下;噪聲水平、壓力脈動水平及結(jié)構(gòu)振動水平與轉(zhuǎn)速呈線性函數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):1）整個聲壓頻域范圍內(nèi)，噪聲水平從低頻段到高頻段呈先升高，后下降的趨勢。2）非設(shè)計工況下的噪聲水平、振動水平及壓力脈動水平高于設(shè)計工況。3）由電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的電磁感應(yīng)所激勵的高頻振動主要存在于電機(jī)和電機(jī)

9、座上。4）結(jié)構(gòu)振動水平從大到小的排序依次為電機(jī)、法蘭、電機(jī)座和泵體;靠近蝸舌區(qū)域和蝸殼出口擴(kuò)散段處的振動水平高于泵體其它區(qū)域:法蘭軸向上的振動小于徑向振動。
　　 7.優(yōu)化后的B50SO和C100SO水力模型已用于格蘭富相關(guān)產(chǎn)品(TPE3)，效率分別超過歐洲最高可實現(xiàn)效率目標(biāo)的5％和1％，振動和噪聲水平(B50SO為1.05mm/s和65dB(A)，C100SO為0.77mm/s和59dB(A))分別低于產(chǎn)品設(shè)計要求規(guī)定的1.8