半开式叶轮（精选3篇）
半开式叶轮 篇1
0 引言
高速泵是美国Sundyne公司首先开发的一种新型高速高压单级式离心泵,国内又称之为圣达因(Sundyne)泵或高速部分流泵。它的最高转速可达25 000～30 000 r/min,具有单级扬程高、结构紧凑、维护方便、可靠性好及适用范围广等优点。因此,广泛应用于石油、化工、能源、及采矿等行业。
LMV-311 型离心泵属于低比转速高速离心泵,其小流量、高扬程的特点也决定了其在理论研究和设计应用中存在效率较低、小流量工况下容易产生不稳定现象,其内流场状况直接影响泵的性能[1]。因此,对离心泵内流场的研究已成为提高离心泵性能的关键方法之一。低比转速离心泵叶轮大致分为三种形式:闭式复合、半开式、全开式。文献[2]分析了闭式长中短复合离心泵由于叶片数增加,从而可采用较大的叶片出口从而改善提高泵的小流量稳定性。文献[3]介绍了全开式叶轮的设计方法,并分析了轴向间隙对全开式离心泵内流场的影响。本文以低转速高速半开式叶轮离心泵为研究对象,采用ANSYS CFX软件对半开式离心泵内部流动进行数值计算和分析,以揭示叶轮和蜗壳内部流动特性和相互作用。为以后半开式叶轮高速离心泵的优化设计研究提供理论依据 。
1 计算模型的建立
a) 叶轮的几何模型
本文计算所选用离心泵为Sundyne公司的lmv-311型高速离心泵,其基本参数:
最大流量:Qmax=91 m3h-1;扬程:H=32～1 921 m;转速:n=6 000～20 000 r/min;功率:P=150 kW。
离心泵叶轮为半开式叶轮结构,如图1所示。叶轮的主要参数:叶片数:Z=8;进口直径:d1=32 mm;叶片外径:d2=119 mm;平衡孔直径:d3=8 mm。
b) 离心泵流场模拟方案
考虑到离心泵出水喇叭口引起的不对称性,本方案采取了全通道模拟。计算模型将离心泵整个计算域分为:进水口、叶轮区域、蜗壳区域、出水喇叭口,以及一个旋转的动边界和一个静边界,如图2所示。动边界和静边界耦合采用多参考坐标系模型(multiple reference frame,MRF)。
c) 网格生成
网格生成采用有限体积法,运用专业ANSYS CFX软件,对各个区域单独生成网格,相邻区域共用一个面,并使用(general grid interface,GGI)进行网格拼接,使用相同的网格节点。叶轮区域和蜗壳区域的网格数分别为904 670和575 489。考虑到离心泵模型的复杂性,采用三维非结构化网格,并设置边界层。虽计算过程比较复杂,但对不规则空间有较强的适应能力[4]。
d) 控制方程
流场数值模拟采用三维不可压缩流体雷诺时均Navier-Stokes方程。流体处于紊流状态,紊流模型选取标准k-ε (2eqn)模型。壁面采用标准壁面函数。方程离散格式采用有限体积法,对流项采用First Order格式,其他项仍采用中心差分格式。控制方程通式(1)[5]如下,具体参数如表1所示。
e) 边界条件
预设离心泵在额定工况下稳定运行, 离心泵的工作环境压力为一个大气压(0.1 MPa)。计算中忽略重力对流场的影响,进水口给定质量流量(mass flow rate)25.28 kg/s;出水口给定自由出口边界条件(opening);叶轮选用旋转坐标,转速20 000 r/min;蜗壳选用静止坐标,给定标准壁面边界条件。
2 计算结果及分析
通过数值计算,CFX可以得出高速离心泵内部流场的速度矢量图、速度等值线分布图、压力等值线分布图、紊动能分布图、紊动耗散率分布图等。主要从速度和压力分布对泵流场进行研究分析。
a) 速度分布
从图3速度矢量图中,可以看出水到达蜗壳区,于其中速度变化不大,随着逐渐到达离心泵流道咽喉直管处,速度越来越大,当经过咽喉直管之后,由于喇叭口的扩压作用,速度又逐渐递减,液体的动能转化为压能。
而水从叶轮入口到叶轮出口区,流场较为复杂,叶片头部图[4(a)]存在一定的液流冲击,尾部[4(b)]二次流明显,中部水以变化的速度向四周流出,让水具有了一定的转动速度分量,使得叶片周围出现小漩涡。从图中可看出叶片流道内二次流从叶片的进口一直到叶片的出口整个发展过程,从总体的趋势来看,漩涡是沿着从压力面向吸力面的方向发展,在流道的中间位置,可以看到明显的二次流漩涡。
叶轮出口二次流[4(c)]实际是叶轮出口液流不均匀流动和处于紊流流动状态的蜗壳相互影响共同作用而得出的现象。实际上这种二次流动可增加扬程,但是由于二次流是靠液流撞击而获得能量的,因此也带来一定的水力损失[6]。
b) 压力分布
图5为半开式叶轮压力等值线图,图6为叶轮压力等值线图。图中可以看出:从叶轮进口到出口压力呈增加趋势,最小压力出现在叶轮近入口处,在近出口处达到压力最大值。压力面压力大于相应位置吸力面处的压力。半开式叶轮静压力均匀上升,压力梯度没有明显波动,等值线几乎沿圆周方向,说明由于相对速度降低而导致液体静压力升高在总的静压升高中所占比例较小,此也附和地比转速叶轮流动的特点。叶片头部有较为明显的低压区存在,较容易发生气蚀。静压力差的大小对扬程有着直接的影响。图7为不同叶顶间隙下的流量扬程曲线图,可以看出流量增大扬程略有下降。在相同的流量和转速下,当轴向间隙从0.2 mm增大到0.5 mm时,扬程略有下降;当叶顶间隙增加到1 mm和2 mm时,扬程下降则较为明显。其原因为,间隙值增加而导致的泄漏量增长,与此同时部分流泵里的循环流量也随之增加,从而导致更多的水力损失。
4 结语
文本运用商用Ansys CFX软件对LMV-311型地比转速高速离心泵进行内部流场模拟,在动参考系坐标下,运用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,采用标准的k-ε(2eqn)紊流模型进行求解,得出离心泵在最大流量工况下的速度和压力分布图,较为准确真实的反映内部的流动情况,对其结果进行分析说明。从数值分析
的结果上看,模拟计算所得出的结果均符合离心泵工作特性的一般规律,这表明采用Ansys CFX对离心泵内部流场进行数值模拟研究是正确可行的。
参考文献
[1]张佩芳,袁寿其,许建强.低比转速离心泵研究现状与发展前景[J].排灌机械,21(6):4.
[2]崔宝玲,朱祖超,林勇刚.长中短叶片复合叶轮离心泵流动数值模拟[J].农业机械学报,42(3):74-79.
[3]王洋,蒋其松.开式离心泵全流场数值模拟[J].农业机械化,2010,(6):197-200.
[4]王松龄,张磊,杨阳.基于有限体积法的G4-73型离心风机三维流场数值模拟[J].华北电力大学学报,2009,(36):38-41.
[5]李人宪.有限体积法基础[M].北京:国防工业出版社,2005.
[6]朱祖超.低比转速高速离心泵的理论及设计应用[M].北京:机械工业出版社,2008.176-181.
半开式叶轮 篇2
汽车发动机冷却水泵是汽车发动机冷却系统的重要组成部分。其作用是使冷却液循环流动降低发动机运行温度。汽车发动机冷却水泵的运行依据能量守恒定律, 即发动机曲轴输出的机械能通过轮系传递给水泵, 又通过水泵传递给冷却液, 使机械能转化为冷却液的液压能, 冷却液从外界获得能量后就产生了速度、压力。叶轮是水泵的重要组成部分, 它是一个过流部件, 叶轮的精度、结构对水泵的性能具有决定性的影响。叶轮的结构可分为三类:闭式叶轮、开式叶轮、半开式叶轮。如图1所示:
叶片形状依据水泵性能及安装的空间位置大小, 可设计为曲线形叶片, 也可设计为直线形叶片。
2 图纸标注理解
叶轮图纸设计时, 叶片锥面标注大多会给出锥角和锥面某一截面的高度尺寸。如图2所示。
164�形成一个锥面, 其实际角度由圆锥角公差带控制。
叶片圆锥面上的�100是一个特征圆, 也被称做测量圆。测量圆形成的圆柱面与叶片圆锥面在理论上形成一条相交线, 实际由于叶片的不连续, 理论相交线只在叶片厚度范围内存在。这条相交线与叶轮大面有尺寸规定, 如图2所示的290-0.13, 此高度被称做叶轮测量圆高度。此高度尺寸是一个重要特性, 叶轮装配后, 叶片锥面与泵体相应部位形成间隙, 此间隙影响水泵性能, 要控制装配间隙, 必须控制叶轮单件高度尺寸, 即控制叶轮测量圆高度尺寸。
半开式叶轮设计图纸 (主视图) 如图2所示:
本文针对图2中的叶轮测量圆高度尺寸即29设计专用检具。
3 290-0.13的测量方法
多叶片组成锥面, 锥面不连续, 加工过程中形成断续切屑, 每个叶片的测量圆高度偏差都不一样。检验时必须对每个叶片的测量圆高度都进行检验, 叶片测量圆高度在要求范围内, 则认为叶片测量圆高度尺寸合格, 以此评定叶片测量圆高度。
单件或小批量试制生产时, 通常采用三坐标测量;
大批量生产时, 为提高检测效率, 必须设计专用量具。
4 专用量具原理
对量具有两点要求:a.可判定尺寸是否合格;b.可测出测量圆高度的实际尺寸数值。专用量具利用比较测量原理设计。
因此, 在检测测量圆高度尺寸时, 多数采用指示表和标准高度块的组合形式。
5 检具方案
检具由三部分组成:安放叶轮的底座组件, 用于复现基准尺寸的标准高度块, 具有示值功能用于检测测量圆高度尺寸的示值组件。
检具整体方案如图3所示:
(1) 安放叶轮的底座组件其作用为:1) 模拟A基准, 形成测量中心基准;2) 模拟叶轮大面, 形成测量圆高度尺寸的一个基准面, 作为该尺寸的测量基准;
安放叶轮的底座组件如图4所示:
它由中心定位芯轴、支撑块、底板组成。
中心定位芯轴作用是:1) 与叶轮内孔小间隙配合, 用于体现A基准。2) 与示值组件的中心定位衬套小间隙配合, 用于传递A基准。
底板的作用是与叶轮大面贴合, 模拟出叶轮测量圆高度尺寸的一端作为测量的基准。
支撑块的作用是为了支撑示值组件, 使其在对零和测量时占据固定的位置, 把尺寸的变化只传递给指示表。
(2) 示值检测组件具有示值功能得出检测测量圆高度尺寸的变动量。如图5所示:
示值组件由检具板、指示表、中心定位衬套, 指示表夹紧衬套、压紧螺钉组成。指示表通常选用分度值为0.01的百分表, 通常选取球型测头。
中心定位衬套与底座组件的中心定位芯轴的导向部分形成小间隙配合, 用于模拟叶轮中心。
为了方便制造, 指示表通常竖直安装。由于指示表采用竖直安装, 为保证测头与叶片锥面的接触点在测量圆上, 中心定位衬套中心与指示表安装中心的距离并非为测量圆直径的一半, 需根据所选指示表测头直径利用图解法得出。
以图例说明如下 (如图6所示) :
假设指示表为测头直径为�2.5的百分表, 首先在叶轮图纸上找出�100测量圆与某一叶片锥面交点A点, 其次过A点做一条直线B, 该直线垂直于叶片锥面, 再次以A点为圆心, 做出与测头直径相等的圆C (即�2.5圆) , 该圆与直线B在叶片外的交点为D点, D点与叶轮中心距离即为检具板上中心定位衬套中心与指示表安装中心的距离, 图例该尺寸为50.2。如图7所示:
(3) 标准高度块用于复现基准尺寸, 与测得值进行比较。在测量时, 为了方便从指示表读取数值并快速判断, 通常标准高度块的标称尺寸按被测尺寸的下差设计, 如29的标准高度块标称尺寸按28.87设计, 这样可使指示表对零后, 指针只沿一个方向旋转。
由于指示表的竖直放置, 测头与锥面的交点与测头的最低点不是同一点, 而标准高度块是与测头最低点接触。测量点在�100圆上。这使得标准高度块的标称值不等于尺寸下差, 标称值与叶片锥面和测头直径有关。如图8所示:理论标称高度为测量最低点与叶轮大面间的距离 (图例为28.858) 。
为了弥补量具制造误差对测量精度的影响, 实际中常把理论标称高度设计成尺寸下差, 用于提高测量的可靠性。可把实测高度和量具编号刻印在标准高度块外圆面上作为标识。如图9所示:
6 测量方法与评价原则
该尺寸采用比较测量 (又称微差测量) 。
(1) 首先需在量具上放入标准高度块。如图10中的1。标准高度块以被测尺寸下差设计, 在其外圆面上打印有标称高度, 假设标称高度用Y表示 (图例中标称高度为28.872) 。
(2) 指示表对零。如图10中的2
(3) 指示表对零后, 取下示值组件和标准高度块, 放上叶轮, 用两手食指压紧叶轮使叶轮大面与检具板贴合。如图10中的3
(4) 放入示值组件, 使示值组件中心定位衬套穿入中心定位芯轴, 使指示表测头与叶片锥面接触。如图10中的4
(5) 用手拔动叶轮, 测每个叶片的指示表数值, 记下最大读数和最小读数。假设最大读数为X, 最小读数为X。 (读数可能为负值, 也可能为正值)
则叶轮高度实际范围为:最大Y+X, 最小Y+X。
由于量具是由多个组件组成, 各零件制造误差、组件装配误差、指示表示值误差等因素对指示表示值存在影响, 为避免产生误收, 需按双边内缩方式确定验收尺寸, 通常内缩安全裕度A约为要求公差带的10%。 (图例所示A=0.1X0.13=0.013, 则验收极限为:29)
(以图例说明) 判定原则:必须满足以下两个条件, 尺寸合格。
Y+X≤28.987 (内缩后的最大极限尺寸:29-0.013)
Y+X≥28.883 (内缩后的最小极限尺寸:29-0.117)
摘要：本文介绍了汽车发动机冷却水泵中半开式叶轮锥面测量圆高度的测量方法和量检具的设计原理和使用方法及判定准则。
关键词：汽车发动机冷却水泵,半开式叶轮,叶轮锥面,测量圆,测量圆高度,锥面角度
参考文献
[1]黄云清主编.公差配合与测量技术[K].北京:机械工业出版社, 2001 (03) .
[2]陈家瑞主编.汽车构造 (上册) 3版[K].北京:机械工业出版社, 2009 (02) .
半开式叶轮 篇3
1 设计分析
1.1 开启力与撞击力
为保证所设计的气动半开式矿井风门能够适用于各种矿井, 选择鹤煤三矿矿井风压最大的2处风门进行开启力与撞击力的试验。2处风门的具体情况:①二水平南大巷。风门门扇宽1.70 m、高1.95 m, 开启力为1.900 kN, 关闭时门扇门框撞击力1.338 kN。②三水平三二上平台。风门门扇宽1.70 m、高1.90 m, 开启力为2.070 kN, 关闭时门扇门框撞击力1.485 kN。
1.2 开启力与开启距离
矿井风门结构如图1所示。经多次试验, 风门开启距离与对应开启力的关系曲线如图2所示。
由图2可知, 风门开启到120 mm后, 曲线逐渐与横坐标平行, 即开启力数值不再变化, 达到一个平衡点, 由此可以确定气动半开式矿井风门的半开理想距离为120 mm。
2 风门减震装置结构及工作原理
2.1 减震装置结构
气动半开式矿井风门的设计核心为减震装置, 该装置主要由气缸、高压胶管总成、气动机械阀、加长杆等组成 (图3) 。
2.2 工作原理
在该减震装置中, 气缸安装在反向风门门框距底板1 500 mm左右处, 气缸加长活塞杆顶端与正向风门门扇轻轻接触。当行人打开气动机械阀时, 气缸开始进气, 并推动活塞和加长杆迅速将门扇顶开150 mm, 使风门前后压差迅速下降, 达到轻松开启风门的目的。风门自动关闭时, 在风压的作用下, 门扇会推动加长杆和活塞, 进行排气、复位, 直至严密关闭。由于气缸排气孔较小, 排气时有一定的阻力, 从而起到缓冲和减震的作用。
2.3 主要参数
气动半开式矿井风门减震装置的主要技术参数:气缸行程150 mm;气缸推力P≤16 085 N;气缸运动速度50～500 mm/s;适应压力范围0.2～0.8 MPa。
3 应用效果分析
气动半开式矿井风门在鹤煤三矿的二水平南大巷和三水平三二上平台进行了安装使用, 这两处风门是三矿所有在用风门中尺寸最大、受风压最强、最难开启的。气动半开式矿井风门已安装使用6个多月, 取得了良好的应用效果。
(1) 方便耐用。
三水平三二上平台风门平均每天开关达300多次, 而二水平南大巷风门平均每天开关达600多次, 6个多月内, 除了因气动机械阀达到疲劳极限更换过1～2次, 还没有出现过其他问题。
(2) 开关效率高。
当按下气动机械阀后, 风门开启到理想状态的时间不足1 s, 关闭风门时, 风门接触到装置加长杆后, 只需1 s就能完全闭合, 提高了整体工作效率。
(3) 安装维修灵活。