抽送畜禽粪污的凸轮转子泵性能预测与优化设计
本课题是四川省工业发展资金项目-“畜禽粪污多相非牛顿流体太阳能泵送系统关键技术研究”的部分研究内容。实际的畜禽粪污不仅具有非牛顿流体特性，而且还是气液固三相流体介质，在与抽送单相介质的凸轮转子泵相比，抽送畜禽粪污时，在运行条件、性能参数和设计中考虑的主要问题等存在明显的差别。在设计过程中不仅要考虑转子的结构几何参数，还必须考虑复杂介质成分对凸轮转子泵运行性能的影响，为了尽可能提高泵送系统的效率和运行稳定性。本课题根据畜禽粪污介质的特点，对凸轮转子泵抽送畜禽粪污的流动特性进行研究，探讨用于抽送畜禽粪污的凸轮转子泵的性能预测计算与参数化优化设计方法，并实现基于提高运行稳定性目标进行优化设计。本文的主要内容及结论如下： （1）凸轮转子泵流道的参数化设计与建模。根据多叶凸轮转子泵的转子特征，构建凸轮转子泵的转子型线的参数化模型，实现了多叶凸轮转子泵的转子参数化设计计算与凸轮转子泵流道的三维建模一体化。 （2）畜禽粪污的流变特性参数对凸轮转子泵运行性能的影响关系研究。根据畜禽粪污的介质特点，将其液相简化为非牛顿流体，数值模拟分析其表观粘度和幂律指数对凸轮转子泵运行性能影响。结果表明：随着表观粘度增大，平均流量和容积效率逐渐变大，脉动系数逐渐减小；随着幂律指数的增大，平均流量、容积效率以及出口脉动系数都逐渐增大。 （3）凸轮转子泵抽送畜禽粪污时的内部流动特性及性能预测。数值模拟分析不同畜禽粪污浓度、气固液成分及运行工况参数对凸轮转子泵性能的影响。结果表明：凸轮转子泵内的压力脉动规律及转子径向力变化主要受转子叶数影响；随着粪污浓度增大，平均流量逐渐增大，脉动系数减小；气相和固相成分对凸轮转子泵的性能影响较小，平均流量、脉动系数的相对变化范围在1%左右；随着压差的增大，出口流量及容积效率下降，脉动系数相对增大；随着转速的增大，出口流量增大，脉动系数减小，脉动幅值增大。 （4）研究转子结构参数对抽送畜禽粪污的凸轮转子泵性能影响，并对转子结构进行优化。在转子直径不变的条件下，分析转子结构主要几何参数（长度、叶数、螺旋角）对凸轮转子泵抽送畜禽粪污的性能影响。随着转子长度的增加，平均流量呈线性增大；对于文中示范项目的凸轮转子泵，当转子长度小于120mm，容积效率和脉动系数波动大约在1%；随着转子叶数增多，平均流量和脉动系数减小；随着转子螺旋角增大，平均流量和容积效率逐渐减小，流量脉动系数则先减小后增大。在对比分析不同方案的流量特性及脉动特性基础上，以提高运行稳定性为目标对转子流道结构进行优化。 本课题研究成果已用于合作企业的凸轮转子泵产品开发过程中，研制的产品由合作方进行了厂内试验验证并用于实际工程，证明了文中研究的方法和技术路线的可行性。
畜禽粪污抽送;凸轮转子泵;性能预测;优化设计
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
赖喜德
2022
中文
S817.5
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）