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泵的技术的现状和发展精品文档 泵的技术的现状和发展 泵的技术的现状和发展 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， 是将原动机输出的能量转换为介质压力能的能量转换装置。 泵是应用非常广泛的通用机械， 可以说凡有液体流动之处， 几乎都有泵在工作。 泵是企业不可缺少的重要设备之一， 但其工作条件恶劣， 经常出现腐蚀、 气蚀、 冲刷、 磨损等现象， 导致设备失效。 泵的制造的材料选用是泵的设计使用中重要的一环。 实现泵内 部流动的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。 关键词： 泵、 现状、 发展、 改进、 材料、 数值模拟 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， 是将原动机输出的能量转换为介质压力能的能量转换装置。 主要用来输送液体包括水、 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的液体。 1 泵的发展过程 水的提升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，例如埃及的链泵(公元前 17 世纪) ， 中国的桔槔(公元前 17 世纪) 、 辘轳(公元前 11 世纪) 和水车(公元 1 世纪) 。 比较著名的还有公元前 3 世纪， 阿基米德发明的螺旋杆， 可以平稳连续地将水提至几米高处， 其原理仍为现代螺杆泵所利用。 公元前 200 年左右， 古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵， 已具备典型活塞泵的主要元件， 但活塞泵只是在出现了 蒸汽机之后才得到迅速发展。 1840-1850 年， 美国沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的， 蒸汽直接作用的活塞泵， 标志着现代活塞泵的形成。 1851-1875 年， 带有导叶的多级离心泵相继发明， 使发展高扬程离心泵成为可能。 19 世纪是活塞泵发展的高潮时期， 当时已用于水压机等多种机械中。 然而随着需水量的剧增， 从 20 世纪20 年代起， 低速的、 流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的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主要地位， 尤其是隔膜泵、 柱塞泵独具优点， 应用日 益增多。 尽管我国 在很早以前就懂得利用泵的原理来进行农业生产， 但我国泵行业是在新中 国成立以后发展起来的， 特别是改革开放以来， 泵行业得到了 快速发展。 除少数的特殊泵类产品外， 现有的产品品种和数量基本能满足国民经济各部门的需要。 随着各行业尤其是流程工业的快速发展， 中 国的泵行业也经历了 高速的发展。 同时， 水处理行业、 石化行业、 石油天然气行业、 电力行业继续保持较高的景气度。 2 泵的种类及应用 泵行业主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 广泛的通用机械， 可以说凡有液体流动之处， 几乎都有泵在工作。 在化工和石油部门的生产中， 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， 需要经过复杂的工艺过程， 泵在这些过程中起到了 输送液体和提供化学反应的压力流量的作用， 此外， 在很多装置中还用泵来调节温度。 在农业生产中， 泵是主要的排灌机械。 我国农村幅员 广阔， 每年农村都需要大量的泵， 一般来说农用泵占泵总产量一半以上。 在矿业和冶金工业中， 泵也是使用最多的设备。 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、 热电厂需要大量的锅炉给水泵、 冷凝水泵、 循环水泵和灰渣泵等。 在国防建设中， 飞机襟翼、 尾舵和起落架的调节、 军舰和坦克炮塔的转动、 潜艇的沉浮等都需要用泵。 高压和有放射性的液体， 有的还要求泵无任何泄漏等。 在船舶制造工业中， 每艘远洋轮上所用的泵一般在百台以上， 其类型也是各式各样的。 其它 如城市的给排水、 蒸汽机车的用水、 机床中的润滑和冷却、 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， 都需要有大量的泵。 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 常的生活， 到处都需要用泵， 到处都有泵在运行。 正是这样， 所以把泵列为通用机械， 它 是机械工业中的一类主要产品。 3 泵的材料的选用及发展 泵是企业不可缺少的重要设备之一， 但其工作条件恶劣， 经常出现腐蚀、 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， 用来输送含有硬质颗粒的固液混合物。 渣浆泵产品大部分是离心式渣浆泵， 其工作原理和离心式清水泵的工作原理是一样的。 渣浆泵的工作介质为含有一定粒径、 硬度和浓度的固体物料与水组成的固液混合物， 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的固液混合物的环境下工作， 不但要承受物料的冲刷磨损， 而且还要承受浆料的腐蚀作用， 工况条件极为恶劣。 磨损严重是渣浆泵长期存在的最大难题， 也是国内 外科研的主要方向。 特别是对于较大粒径硬质颗粒的工作介质， 泵过流件的磨损现象更加突出， 过流件的使用寿命十分短暂。 因此泵的制造的材料选用是泵的设计使用中重要的一环。 国内 的泵的设计和制造基本上还是遵守 金属 思想， 即采用不锈钢、碳钢材料作为主要的泵体材料， 面对高腐蚀、 强冲刷的环境， 就需要高镍合金， 甚至采用钛、 锆、 钽等优良的耐腐蚀材料， 这些稀有金属材料价格昂贵且价格浮动大， 并且制造成本高和制造工艺复杂等原因造成此类泵的价格昂贵， 一般几万到几百万不等， 也就造成了 此类泵的采购成本高。 伴随着国际先进泵体研究的发展和新材质泵体的应用， 国内 科研机构借鉴西方发达国家对泵体研究的发展思路， 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的工程塑料等。 与此同时， 对高铬、 高镍铸铁的成分组织改进也被提上了 课程， 利用相图计算来确定不同 C/Cr 比， 高铬铸铁的适用工况条件。 这些国内 的泵类的发展趋势迎合了国际趋势， 并且很快在国内 取得了 良使用效果。 国际上最先进是的美国的福世蓝抗腐蚀、 气蚀及耐磨技术。 福世蓝技术是美国福世蓝公司 开发的, 以专用高分子材料对工业设备或部件进行修复和再制造的技术。 以此技术对泵的磨损修复为例： （ 1） 修复工艺包括表面处理, 调和材料, 修复腐蚀面和固化四步。 表面处理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, 固化后多余的材料可以用细油石或砂纸打磨掉。 修复后由于材料很好的自 流平性能。 能够提高泵效率 6%7%。 （ 2） 修复后的性能测试: 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试验。 采用国产 MM200 型磨损试验机, 对福世蓝高分子复合材料 8510 进行了 耐磨性能试验, 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。 修复层的耐磨性能测试结果见表 1。 4 泵的选型 根据泵选型原则和选型基本条件， 具体操作如下： 1 根据装置的布置、 地形条件、 水位条件、 运转条件， 确定选择卧式、立式和其它 型式(管道式、 潜水式、 液下式、 无堵塞式、 自 吸式、 齿轮式等)的泵。 2 根据液体介质性质， 确定清水泵， 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。 安装在爆炸区域的泵， 应根据爆炸区域等级， 采用相应的防爆电动机。 3 根据流量大小， 确定选单吸泵还是双吸泵； 根据扬程高低， 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， 首先选用单级泵。 4 确定泵的具体型号 确定选用什么系列的泵后， 就可按最大流量， (在没有最大流量时， 通常可取正常流量的 1. 1 倍作为最大流量) ， 取放大 5%10%余量后的扬程这两个性能的主要参数， 在型谱图或者系列特性曲线上确定具体型号。 操作如下： 利用泵特性曲线， 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， 则该泵就是要选的泵， 但是这种理想情况一般很少， 通常会碰上下列两种情况： 第一种： 交点在特性曲线上方， 这说明流量满足要求， 但扬程不够，此时， 若扬程相差不多， 或相差 5%左右， 仍可选用， 若扬程相差很多， 则选扬程较大的泵。 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围内 ， 就初步定下此型号， 然后根据扬程相差多少， 来决定是否切割叶轮直径， 若扬程相差很小， 就不切割， 若扬程相差很大， 就按所需 Q、 H、， 根据其 ns 和切割公式， 切割叶轮直径， 若交点不落在扇状梯形范围内， 应选扬程较小的泵。 选泵时， 有时须考虑生产工艺要求， 选用不同形状 Q-H 特性曲线。 5 泵型号确定后， 对水泵或输送介质的物理化学介质近似水的泵， 需再到有关产品目 录或样本上， 根据该型号性能表或性能曲线进行校改， 看正常工作点是否落在该泵优先工作区？ 有效 NPSH 是否大于（ NPSH）。 也可反过来以 NPSH 校改几何安装高度。 6 对于输送粘度大于 20mm2/s 的液体泵（ 或密度大于 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） 的性能曲线，特别要对吸入性能和输入功率进行认真计算或较核。 泵的特性曲线 5 泵的设计改进 近年来， 中国作为世界工厂， 对能源消费持续呈现快速增长的态势，从 2019 年到 2007 年， 我国能源消费量年均增加 1. 8 亿吨标准煤， 2007 年达到 26. 56 亿吨标准煤。 据相关预测， 能源消费在短期内 将延续加速增长的趋势， 到 2020 年我国能源需求量将达到 50 亿吨标准煤以上。 我国的石油天然气用量也居世界前列， 如果我们不加节制， 很快则无可用之能源。 在此环境下， 节能减排呼之而出。 而泵的设计改进， 提高能源的利用率，而显得越发重要了 。 如泵的叶片的改进设计、 多级泵的应用、 叶片的切割与加长的应用、 泵的制造材料的改进等等。 下面以泵的叶片改进技术为例： 在加工制造和维修中， 我们发现叶片泵的定子和转子加工复杂， 成本较高。 另一方面， 虽然叶片泵的脉动小，但是依然存在。 介于以上原因， 试想对叶片泵的结构进行改进， 使改进后的叶片泵结构简单， 加工成本低， 输出压力大， 使用寿命延长， 脉动更小等优点。 叶片泵是基于叶片、 定子、 转子和两侧板所围成的空间的容积变化来完成吸油、 压油的工作循环的。 改变原有叶片泵的设计思路， 将改进后的叶片泵的定子做成圆柱体(如图) ， 因此要实现容积变化的就是转子和叶片了 ， 为此转子的外曲面可以设计成不同的圆弧组成， 而叶片是可以伸缩的， 从而实现泵室容积的变化完成吸油、 压油的工作循环。 转子的设计改进的转子的中心采用的是十字键槽。 在转子上有 2 个孔，与其左右配油盘相通， 目 的是减小背压。 改进后的叶片泵示意图 转子示意图 6 泵的内部流场的二维数值模拟 FLUENT 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内 的流体流动与热交换问题的专用 CFD 软件。 它 能够准确地描述离心泵模型内 部的流动情况，且完全可以免去设计初期繁琐的原型生产和反复测试， 快速地评价出模型尺寸的变动对流动的影响， 并得出改良方案。 最后通过计算机数值计算和图像显示的方法， 把时间域及空间域上连续的物理量的场(如速度场、 压力场等) 非常直观地显示出来。 FLUENT 软件及其前处理软件 GAMBIT 逐渐成为研究离心泵内 部流动机理的最重要手段之一。 实现泵内 部流动的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。 以离心泵的内 部流场的数值模拟为例： 1 数值计算方法 假设流动是定常的, 不可压缩的, 其 N-S 方程为: 连续性方程： 动量守恒方程： 其中： 为雷诺应力张量。 Ke 方程： 其中： 2 计算的模型及网格的划分 2. 1 几何模型 如图所示的二维离心泵， 该泵由旋转的叶轮和静止的蜗壳两部分构成。 流体从叶轮中央的圆形进口 沿径向均匀进入叶轮， 经过旋转的叶片作用后，得到能量， 从蜗壳出口 排出。 已知叶轮的叶片数为 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的连线与水平线夹角) 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 流体区域及网格的生成 计算流体区域有三部分组成： 随叶轮一起转动的流体区域、 泵蜗壳与叶轮之间的不流动的流体区域以及叶轮与入口 之间的不流动流体区域， 其三角形网格如图所示： 离心泵二维图 网格图 3 利用 FLUENT 软件进行模拟求解 3. 1 边界条件及参数的设定 设置边界条件： 将进口 inlet 设为 volocity-inlet（ 速度进口 边界条件）； 将出口 outlet 设置为 pressure-outlet（ 压力出口 边界条件）； 把随着叶轮一起转动的流动区域(叶轮区域) 作为旋转参考系来处理， 且定义代表叶片的壁面区域相对于转动流体区域的转动速度。 3. 2 选择计算模型及求解 设置湍流模型为标准的模型， 模型的系数均用默认值。 在选择求解控制参数中， 对速度与压力耦合方式， 选择 SIMPLEC， 对 Momentum(动量) 、Turbulence-Kinetic-Energy(湍动能) 、 Turbulence-Dissipation-Rate(耗散率) ， 均选择 Second-Order-Upwind(二阶迎风格式) 。 启 动绘制残差功能，监视得到的残差值如图 3 所示。 残差图 7 展望 作为通用机械的泵， 用于工业及农业生产的各方各面， 十分广泛。 因此其设计和选择都要认真的考虑， 否则就会造成能源的浪费。 FLUENT 软件及其前处理软件 GAMBIT 逐渐成为研究离心泵内 部流动机理的最重要手段之一。 实现泵内 部流动的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。 参考文献： 【1 】 何川 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