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泵技术现状和发展 泵技术现状和发展 热能 08-1 班 卞庆飞 03081170 摘要： 泵是受原动机控制， 驱使介质运动， 是将原动机输出能量转换为介质压力能能量转换装置。 泵是应用非常广泛通用机械， 可以说凡有液体流动之处， 几乎均有泵在工作。 泵是公司不可缺少重要设备之一， 但其工作条件恶劣， 经常浮现腐蚀、气蚀、冲刷、磨损等现象， 导致设备失效。 泵制造材料选用是泵设计使用中重要一环。 实现泵内 部流动数值模仿对于泵优化设计，改进其水力性能以达到增效节能目 具备重要现实意义。 核心词： 泵、现状、发展、改进、材料、数值模仿 Abstract： Pump is the prime mover control by the driving media campaign。 It is prime mover output will energy conversion for medium pressure can energy conversion devices. The pump is very extensive of general machinery，can say all the place of liquid flow，there are nearly pump in the work. The pump is the enterprise one of the indispensable and important equipment，but their work conditions，often appear corrosion，cavitation erosion，the phenomenon such as，wear，lead to equipment failure. Pumps material selection of the design of the pump is the important one link in use. Realize the numerical simulation of the flow in the pump for the optimization design of the pump，improve its hydraulic performance in order to achieve the purpose of energy-saving efficiency has an important practical significance. Key word： Pump，the present situation，development and improvement，the material，the numerical simulation 0 前言 泵是受原动机控制， 驱使介质运动， 是将原动机输出能量转换为介质压力能能量转换装置。 重要用来输送液体涉及水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等， 也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物液体。 1 泵发展过程 水提高对于人类生活和生产都十分重要。 古代就已有各种提水器具，例如埃及链泵(公元前 17 世纪) ， 中华人民共和国桔槔(公元前 17 世纪) 、辘轳(公元前 11 世纪) 和水车(公元 1 世纪) 。 比较知名尚有公元前 3 世纪， 阿基米德创造螺旋杆， 可以平稳持续地将水提至几米高处， 其原理仍为当代螺杆泵所运用。 公元前 200 年左右， 古希腊工匠克特西比乌斯创造灭火泵是一种最原始活塞泵， 已具备典型活塞泵重要元件， 但活塞泵只是在浮现了 蒸汽机之后才得到迅速发展。 1840-1850 年， 美国沃辛顿创造泵缸和蒸汽缸对置， 蒸汽直接作用活塞泵， 标志着当代活塞泵形成。 1851-1875 年， 带有导叶多级离心泵相继创造， 使发展高扬程离心泵成为也许。 19 世纪是活塞泵发展高潮时期， 当时已用于水压机等各种机械中。 然而随着需水量剧增， 从 20 世纪20 年代起， 低速、流量受到很大限制活塞泵逐渐被高速离心泵和回转泵所代替。 但是在高压小流量领域往复泵仍占有重要地位， 特别是隔膜泵、柱塞泵独具长处， 应用日 益增多。 尽管国内 在很早此前就懂得运用泵原理来进行农业生产， 但国内泵行业是在新中 国成立后来发展起来， 特别是改革开放以来， 泵行业得到了 迅速发展。 除少数特殊泵类产品外， 既有产品品种和数量基本能满足国民经济各部门需要。 随着各行业特别是流程工业迅速发展， 中 国泵行业也经历了 高速发展。 同步， 水解决行业、石化行业、石油天然气行业、电力行业继续保持较高景气度。 2 泵种类及应用 泵行业重要产品有各类离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、回转式容积泵、往复式容积泵和水环真空泵等。 在这些泵类产品中 ， 按台数计算，离心泵约占 70%， 回转式容积泵和往复式容积泵约占 18%。 泵是应用 非常 广泛通用机械， 可以说凡有液体流动之处， 几乎均有泵在工作。 在化工和石油部门生产中， 原料、半成品和成品大多是液体， 而将原料制成半成品和成品， 需要通过复杂工艺过程， 泵在这些过程中起到了 输送液体和提供化学反映压力流量作用， 此外， 在诸多装置中还用泵来调节温度。 在农业生产中， 泵是重要排灌机械。 国内农村幅员 辽阔， 每年农村都需要大量泵， 普通来说农用泵占泵总产量一半以上。 在矿业和冶金工业中， 泵也是使用最多设备。 矿井需要用泵排水， 在选矿、冶炼和轧制过程中， 需用泵来供水等。 在电力部门， 核电站需要核主泵、二级泵、三级泵、热电厂需要大量锅炉给水泵、冷凝水泵、循环水泵和灰渣泵等。 在国防建设中， 飞机襟翼、尾舵和起落架调节、军舰和坦克炮塔转动、潜艇沉浮等都需要用泵。 高压和有放射性液体， 有还规定泵无任何泄漏等。 在船舶制造工业中， 每艘远洋轮上所用泵普通在百台以上， 其类型也是各式各样。 其他 如都市给排水、蒸汽机车用水、机床中润滑和冷却、纺织工业中输送漂液和染料、造纸工业中输送纸浆， 以及食品工业中输送牛奶和糖类食品等， 都需要有大量泵。 总之， 无论是飞机、火箭、坦克、潜艇、还是钻井、采矿、火车、船舶，或者是日 常生活， 处处都需要用泵， 处处均有泵在运营。 正是这样， 因此把泵列为通用机械， 它 是机械工业中一类重要产品。 3 泵材料选用及发展 泵是公司不可缺少重要设备之一， 但其工作条件恶劣， 经常浮现腐蚀、气蚀、冲刷、磨损等现象， 导致设备失效。 例如： 渣浆泵广泛应用于电力、煤矿和冶金等行业， 用来输送具有硬质颗粒固液混合物。 渣浆泵产品大某些是离心式渣浆泵， 其工作原理和离心式清水泵工作原理是同样。 渣浆泵工作介质为具有一定粒径、硬度和浓度固体物料与水构成固液混合物， 如泥浆、矿浆和砂浆等， 其四大过流件蜗壳、叶轮、前护板和后护板在这种高速运动固液混合物环境下工作， 不但要承受物料冲刷磨损， 并且还要承受浆料腐蚀作用， 工况条件极为恶劣。 磨损严重是渣浆泵长期存在最大难题， 也是国内 外科研重要方向。 特别是对于较大粒径硬质颗粒工作介质， 泵过流件磨损现象更加突出， 过流件使用寿命十分短暂。 因而泵制造材料选用是泵设计使用中重要一环。 国内 泵设计和制造基本上还是遵守 金属 思想， 即采用不锈钢、碳钢材料作为重要泵体材料， 面对高腐蚀、强冲刷环境， 就需要高镍合金， 甚至采用钛、锆、钽等优良耐腐蚀材料， 这些稀有金属材料价格昂贵且价格浮动大， 并且制导致本高和制造工艺复杂等因素导致此类泵价格昂贵， 普通几万到几百万不等， 也就导致了 此类泵采购成本高。 随着着国际先进泵体研究发展和新材质泵体应用， 国内 科研机构借鉴西方发达国家对泵体研究发展思路， 开始研制表面粘贴或焊接耐磨材料， 如无机非金属材料如陶瓷、玻璃钢、石墨和碳素制品以及合成有机高分子材料如塑料、玻璃纤维或碳纤维增强工程塑料等。 与此同步， 对高铬、高镍铸铁成分组织改进也被提上了 课程， 运用相图计算来拟定不同 C/Cr 比， 高铬铸铁合用工况条件。 这些国内 泵类发展趋势迎合了国际趋势， 并且不久在国内 获得了 良使用效果。 国际上最先进是美国福世蓝抗腐蚀、气蚀及耐磨技术。 福世蓝技术是美国福世蓝公司 开发， 以专用高分子材料对工业设备或部件进行修复和再制造技术。 以此技术对泵磨损修复为例： （ 1） 修复工艺涉及表面解决， 调和材料， 修复腐蚀面和固化四步。 表面解决与调和材料两步与修复轴类磨损基本相似。 修复腐蚀面时要保证材料完全修复腐蚀面， 通过电弧灯加热固化， 固化后多余材料可以用细油石或砂纸打磨掉。 修复后由于材料较好自 流平性能。 可以提高泵效率 6%7%。 （ 2） 修复后性能测试：测试粘结强度拉伸强度达到 162kg/cm2 (福世蓝 8510 高分子复合材料) ； 测试耐磨性耐磨性能实验。 采用国产 MM200 型磨损实验机， 对福世蓝高分子复合材料 8510 进行了 耐磨性能实验， 实验条件为在室温下进行环块线接触摩擦实验， 载荷为 100N， 滑动速度为 0. 42m s-1，实验时间为 30min。 修复层耐磨性能测试成果见表 1。 4 泵选型 依照泵选型原则和选型基本条件， 详细操作如下： 1 依照装置布置、地形条件、水位条件、运转条件， 拟定选取卧式、立式和其他 型式(管道式、潜水式、液下式、无堵塞式、自 吸式、齿轮式等)泵。 2 依照液体介质性质， 拟定清水泵， 热水泵还是油泵、化工泵或耐腐蚀泵或杂质泵， 或者采用无堵塞泵。 安装在爆炸区域泵， 应依照爆炸区域级别， 采用相应防爆电动机。 3 依照流量大小， 拟定选单吸泵还是双吸泵； 依照扬程高低， 选单级泵还是多级泵， 高转速泵还是低转速泵(空调泵) 、多级泵效率比单级泵低，如选单级泵和多级泵同样都能用时， 一方面选用单级泵。 4 拟定泵详细型号 拟定选用什么系列泵后， 就可按最大流量， (在没有最大流量时， 普通可取正常流量 1. 1 倍作为最大流量) ， 取放大 5%10%余量后扬程这两个性能重要参数， 在型谱图或者系列特性曲线上拟定详细型号。 操作如下： 运用泵特性曲线， 在横坐标上找到所需流量值， 在纵坐标上找到所需扬程值， 从两值分别向上和向右引垂线或水平线， 两线交点正好落在特性曲线上， 则该泵就是要选泵， 但是这种抱负状况普通很少， 普通会碰上下列两种状况： 第一种： 交点在特性曲线上方， 这阐明流量满足规定， 但扬程不够，此时， 若扬程相差不多， 或相差 5%左右， 仍可选用， 若扬程相差诸多， 则选扬程较大泵。 或设法减小管路阻力损失。 第二种： 交点在特性曲线下方， 在泵特性曲线扇状梯形范畴内 ， 就初步定下此型号， 然后依照扬程相差多少， 来决定与否切割叶轮直径， 若扬程相差很小， 就不切割， 若扬程相差很大， 就按所需 Q、H、， 依照其 ns 和切割公式， 切割叶轮直径， 若交点不落在扇状梯形范畴内， 应选扬程较小泵。 选泵时， 有时须考虑生产工艺规定， 选用不同形状 Q-H 特性曲线。 5 泵型号拟定后， 对水泵或输送介质物理化学介质近似水泵， 需再到关于产品目 录或样本上， 依照该型号性能表或性能曲线进行校改， 看正常工作点与否落在该泵优先工作区？ 有效 NPSH 与否不不大于（ NPSH）。 也可反过来以 NPSH 校改几何安装高度。 6 对于输送粘度不不大于 20mm2/s 液体泵（ 或密度不不大于 1000kg/m3）， 一定要把以水实验泵特性曲线换算成该粘度（ 或者该密度下） 性能曲线，特别要对吸入性能和输入功率进行认真计算或较核。 泵特性曲线 5 泵设计改进 近年来， 中华人民共和国作为世界工厂， 对能源消费持续呈现迅速增长态势，从 年到 年， 国内能源消费量年均增长 1. 8 亿吨原则煤， 年达到 26. 56 亿吨原则煤。 据有关预测， 能源消费在短期内 将延续加速增长趋势， 到 年国内能源需求量将达到 50 亿吨原则煤以上。 国内石油天然气用量也居世界前列， 如果咱们不加节制， 不久则无可用之能源。 在此环境下， 节能减排呼之而出。 而泵设计改进， 提高能源运用率，而显得越发重要了 。 如泵叶片改进设计、多级泵应用、叶片切割与加长应用、泵制造材料改进等等。 下面以泵叶片改进技术为例： 在加工制造和维修中， 咱们发现叶片泵定子和转子加工复杂， 成本较高。 另一方面， 虽然叶片泵脉动小，但是依然存在。 介于以上因素， 试想对叶片泵构造进行改进， 使改进后叶片泵构造简朴， 加工成本低， 输出压力大， 使用寿命延长， 脉动更小等长处。 叶片泵是基于叶片、定子、转子和两侧板所围成空间容积变化来完毕吸油、压油工作循环。 变化原有叶片泵设计思路， 将改进后叶片泵定子做成圆柱体(如图) ， 因而要实现容积变化就是转子和叶片了 ， 为此转子外曲面可以设计成不同圆弧构成， 而叶片是可以伸缩， 从而实现泵室容积变化完毕吸油、压油工作循环。 转子设计改进转子中心采用是十字键槽。 在转子上有 2 个孔，与其左右配油盘相通， 目 是减小背压。 改进后叶片泵示意图 转子示意图 6 泵内部流场二维数值模仿 FLUENT 是一种用于模仿和分析在复杂几何区域内 流体流动与热互换问题专用 CFD 软件。 它 可以精确地描述离心泵模型内 部流动状况，且完全可以免除设计初期繁琐原型生产和重复测试， 迅速地评价出模型尺寸变动对流动影响， 并得出改良方案。 最后通过计算机数值计算和图像显示办法， 把时间域及空间域上持续物理量场(如速度场、压力场等) 非常直观地显示出来。 FLUENT 软件及其前解决软件 GAMBIT 逐渐成为研究离心泵内 部流动机理最重要手段之一。 实现泵内 部流动数值模仿对于泵优化设计，改进其水力性能以达到增效节能目 具备重要现实意义。 以离心泵内 部流场数值模仿为例： 1 数值计算办法 假设流动是定常，不可压缩，其 N-S 方程为： 持续性方程： 动量守恒方程： 其中： 为雷诺应力张量。 Ke 方程： 其中： 2 计算模型及网格划分 2. 1 几何模型 如图所示二维离心泵， 该泵由旋转叶轮和静止蜗壳两某些构成。 流体从叶轮中央圆形进口 沿径向均匀进入叶轮， 通过旋转叶片作用后，得到能量， 从蜗壳出口 排出。 已知叶轮叶片数为 6， 叶轮进、出口 半径分别为 23mm 和 55mm， 蜗壳隔舌角(叶轮中心至蜗壳螺旋线起点连线与水平线夹角) 为 30 。 出口 段扩散角为 4. 29 。 叶轮进口 流速 5. 7m/s， 叶轮旋转角速度为 560rad/s。 2. 2 流体区域及网格生成 计算流体区域有三某些构成： 随叶轮一起转动流体区域、泵蜗壳与叶轮之间不流动流体区域以及叶轮与入口 之间不流动流体区域， 其三角形网格如图所示： 离心泵二维图 网格图 3 运用 FLUENT 软件进行模仿求解 3. 1 边界条件及参数设定 设立边界条件： 将进口 inlet 设为 volocity-inlet（ 速度进口 边界条件）； 将出口 outlet 设立为 pressure-outlet（ 压力出口 边界条件）； 把随着叶轮一起转动流动区域(叶轮区域) 作为旋转参照系来解决， 且定义代表叶片壁面区域相对于转动流体区域转动速度。 3. 2 选取计算模型及求解 设立湍流模型为原则模型， 模型系数均用默认值。 在选取求解控制参数中， 对速度与压力耦合方式， 选取 SIMPLEC， 对 Momentum(动量) 、Turbulence-Kinetic-Energy(湍动能) 、Turbulence-Dissipation-Rate(耗散率) ， 均选取 Second-Order-Upwind(二阶迎风格式) 。 启 动绘制残差功能，监视得到残差值如图 3 所示。 残差图 7 展望 作为通用机械泵， 用于工业及农业生产各方各面， 十分广泛。 因而其设计和选取都要认真考虑， 否则就会导致能源挥霍。 FLUENT 软件及其前解决软件 GAMBIT 逐渐成为研究离心泵内 部流动机理最重要手段之一。 实现泵内 部流动数值模仿对于泵优化设计，改进其水力性能以达到增效节能目 具备重要现实意义。 参照文献： 【1 】 何川 .郭立君.泵与风机（ 第四版） .中 国电力 出 版社,201 0. 【2】 王维江.怎么提高泵效率和减少能耗.纸和造纸,1 995.07. 【3】 石贞芳.下吸式井用 潜水电泵设计研制.学术交流,201 1 .04. 【4】 黄学军.陈斌.可调导叶式潜水贯流泵设计.水原技术,201 1 . 【5】 范亚明 . 福州 地区地表水源热泵发展前景分析.福州 建筑,. 【6】 陈松松.阮越广.半开式叶轮离心泵效率优化与分析.机电工程,201 1 【7】 彭界隆.朱前亮.火力 发电厂凝结水泵基本优化设计.湖南电力 ,201 1 . 【8】 关醒凡. 从展品看泵发展趋势和技术水平. 通用 机械,.201 0 【9】 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