開題報告-分段式多級離心泵的設(shè)計

PAGEPAGE1開題報告題目分段式多級離心泵的設(shè)計選題的目的、意義（含國內(nèi)外相同領(lǐng)域、同類課題的研究現(xiàn)狀分析）：泵作為一種通用機(jī)械工在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，應(yīng)用泵技術(shù)的程度已成為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一，所以正確合理地提高泵的設(shè)計與使用，對于提高各類泵類機(jī)械及裝備的工作效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義。同時能讓我們學(xué)到的理論知識運用到實踐中，提高實踐能力,使我們的設(shè)計更具實用性。離心泵的設(shè)計是整個數(shù)控機(jī)床設(shè)計的一部分，他與主機(jī)的設(shè)計是緊密相關(guān)的。液壓傳動是基于以密閉容器中流體的靜壓力傳遞力和功率這一原理來實現(xiàn)的。離心泵設(shè)計的步驟一般是：（1）根據(jù)泵的主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行吸入口徑和壓出口徑的確定，轉(zhuǎn)速的選擇和確定。（2）泵的結(jié)構(gòu)形式的確定。選擇泵的比轉(zhuǎn)速并確定泵的級數(shù)，泵的結(jié)構(gòu)形式選擇，泵的效率的估算，軸功率的計算與電機(jī)的選擇，軸向力的平衡與結(jié)構(gòu)形式的選擇；（3）水力設(shè)計。葉輪設(shè)計，導(dǎo)葉設(shè)計，軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計等；（4）其它部件的結(jié)構(gòu)選擇。包括聯(lián)軸器，軸承、密封等；（5）軸的臨界轉(zhuǎn)速計算及強(qiáng)度計算；（6）葉輪、軸、泵體等主要零部件設(shè)計圖和三維造型；（7）離心泵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計；（8）繪制工作圖，編制文件，并提出離心泵設(shè)計任務(wù)書。一、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義主要研究分段式多級離心泵，包括：離心泵的葉輪、軸、泵體，離心泵的葉輪加厚、分為以下幾部分:（1）離心泵原理圖的設(shè)計；（2）離心泵元件的選擇；（3）離心泵的三維裝配圖和二維裝配圖；（4）葉輪加厚的設(shè)計與計算；二、課題研究的現(xiàn)狀內(nèi)的實際流動規(guī)律很復(fù)雜，還遠(yuǎn)沒有被人們所認(rèn)識，以至于迄今泵的設(shè)計仍停留在半理論、半經(jīng)驗的階段。國內(nèi)開發(fā)泵產(chǎn)品一般都要經(jīng)過設(shè)計、試制、試驗、改進(jìn)的過程。這樣一個繁瑣過程，消耗了大量的時間，人力和財力。如果能夠依據(jù)設(shè)計的泵葉輪、蝸殼等過流部件的幾何參數(shù)準(zhǔn)確地預(yù)測出泵的性能曲線，就能夠大幅地減少泵的模型制作、試制、試驗的費用并縮短設(shè)計和制造周期。目前泵性能預(yù)測的結(jié)果還不能完全滿足工程應(yīng)用的需要，因此對泵性能預(yù)測的深入研究具有重要的理論意義和社會經(jīng)濟(jì)效益。

1．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對泵性能預(yù)測進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果，歸納起來主要有流場分析法、水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(1)流場分析法

流場分析法的實質(zhì)就是建立泵內(nèi)部流場特征和泵外特性之間的關(guān)系，是泵研究領(lǐng)域中一個重要的課題。主要包括兩方面的問題：一是獲得泵內(nèi)部流場的特征；二是建立泵外特性與內(nèi)部流場之間的關(guān)系。目前，國內(nèi)外對前者所做的研究比較多，且取得了較豐富的研究成果，而對后者的研究則很少，處于起步階段。

泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬包括對泵葉輪、吸人室和壓水室內(nèi)流場的模擬，并且為了保證性能預(yù)測的精度，一般都要進(jìn)行全三維的數(shù)值模擬。由于泵內(nèi)的流動一般都是湍流，而對湍流的數(shù)值模擬是CFD(計算流體力學(xué))的一個難點，但同時又是一個熱點，因此要對泵內(nèi)流場進(jìn)行準(zhǔn)確的全三維數(shù)值模擬還有較大的困難。目前湍流的數(shù)值模擬方法主要有三種：一是直接模擬(DNS)。由于計算機(jī)速度和容量的限制，該方法在工程中還應(yīng)用得較少。二是大渦模擬(LargeEddy

Simulation)。該法通過某種濾波方法將湍流運動分解成高度各向異性的大尺度渦和大致各向同性的小尺度渦，對前者通過數(shù)值求解微分方程進(jìn)行直接計算，而后者對前者的影響則通過近似模擬來處理。同直接模擬一樣需要比較大的計算機(jī)容量和很快的處理器。三是雷諾(Reynolds)時均法，這是目前流體機(jī)械中采用的主要方法。該法將N—S方程對時問作平均，求解工程中感興趣的時均量，但需要用湍流模型來封閉方程組。K-￡雙方程湍流模型由于有較好的精度和通用性且計算量又不太大，所以成為研究最多、應(yīng)用最為廣泛的模型之一。不管采用哪一種計算方法，所有的計算過程都是由計算機(jī)完成的，包括建模、網(wǎng)格劃分、計算及流場分析等一系列過程。目前很多商業(yè)軟件如FLUENT、STARCD、FIDAP都可以進(jìn)行三維湍流計算，且具有一定的精度。

用流場分析法來預(yù)測泵性能的關(guān)鍵就是如何建立泵內(nèi)流場特征和外特性的關(guān)系。目前國內(nèi)外這方面的研究成果還不是很多，從查閱的文獻(xiàn)來看，這一方法是確實可行的。一旦能夠建立泵內(nèi)外特性的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，則泵性能預(yù)測的精度將會有一個很大提升，同時可以使泵內(nèi)流研究和工程應(yīng)用結(jié)合起來。這類研究在仔細(xì)分析和研究了26個離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，通過回歸分析初步建立了平均減速比、葉片負(fù)荷系數(shù)、初始變化率等內(nèi)流特征參數(shù)同設(shè)計工況點效率的相對值、高效區(qū)寬廣度、駝峰系數(shù)等外特性之間的關(guān)系，并給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，實現(xiàn)了離心泵內(nèi)外特性的統(tǒng)一，并使流動計算和離心泵性能預(yù)測有機(jī)結(jié)合起來，為分析和預(yù)測離心泵性能提供了一種新的途徑；應(yīng)用N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)K-￡湍流模型，使用SIMPLEC算法計算了水泵水輪機(jī)內(nèi)部流場，通過計算出的葉輪壓力場和速度場的分布，用伯努利方程計算泵的實際揚程，用泵的基本方程計算理論揚程，以此獲得水力效率與軸功率，再利用不同非設(shè)計工況下的數(shù)值模擬結(jié)果就可以得到泵的外特性；利用已知的速度場和壓力場，應(yīng)用邊界層理論直接計算混流泵的水力損失，從而完成對混流泵的性能預(yù)測，這對用流場分析法預(yù)測離心泵的性能提供了一種新思路即可以在分析泵內(nèi)部流場的基礎(chǔ)上再計算泵的水力損失、從而建立泵內(nèi)外特性的關(guān)系，實現(xiàn)泵性能預(yù)測，用流場的數(shù)值模擬結(jié)果分析離心泵內(nèi)的汽蝕情況。由此可見泵的所有外特性都可以通過內(nèi)部流場的分析預(yù)先判斷出其性能優(yōu)劣。

應(yīng)用流場的數(shù)值模擬進(jìn)行泵性能預(yù)測的優(yōu)點是：只要建立的內(nèi)外特性的關(guān)系準(zhǔn)確，其預(yù)測精度比水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法都要高。但目前該方法還有很多地方有待研究，如現(xiàn)有方法在設(shè)計工況附近精度較高而在非設(shè)計工況點尤其是小流量工況下誤差較大，而且目前的計算只是單獨計算葉輪內(nèi)部的流場，并未考慮壓水室等過流部件的影響，對二次流和回流等流動因素也未作考慮。用流場分析法預(yù)測泵的性能處于剛剛起步的階段，是未來泵性能預(yù)測發(fā)展的主要方向。

(2)水力損失法水力損失法是目前預(yù)測泵性能最常用的方法。它是通過對各種水力損失的物理本質(zhì)及其影響因素的分析，尋求各種損失與泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并對流動作一定的假設(shè)、簡化，建立水力損失模型。對不同的損失用不同的計算公式，最后根據(jù)泵基本方程求得性能曲線。因此水力損失的計算就成了水力損失法的關(guān)鍵所在。泵的水力損失主要是指葉輪和壓水室內(nèi)的水力損失，同時泵還有容積損失和機(jī)械損失。

葉輪內(nèi)的水力損失主要可分為葉輪進(jìn)口處液流沖擊損失、葉輪流道內(nèi)的水力摩擦損失和擴(kuò)散損失以及葉輪出口處水力損失。對葉輪內(nèi)的水力損失有兩種求法：一是分別求各項水力損失；二是將葉輪內(nèi)的水力損失統(tǒng)一求解。近年來應(yīng)用較多的是前一種方法，且多數(shù)都是用半經(jīng)驗半理論的公式進(jìn)行求解。

由于離心泵壓水室的主要結(jié)構(gòu)形式就是蝸殼，因此此處就以蝸殼來說明離心泵壓水室中的水力損失。蝸殼內(nèi)的水力損失可分為螺旋段部分水力損失和擴(kuò)散段部分水力損失。螺旋段水力損失包括沿程摩擦阻力損失和沖擊混合損失。擴(kuò)散段的水力損失包括摩阻損失和擴(kuò)散損失。因擴(kuò)張流道內(nèi)的流動比較簡單，采用一維方法計算擴(kuò)散損失與實際吻合得很好，因而目前對這部分損失仍采用該方法計算。但由于螺旋段的流動非常復(fù)雜，一元流動的方法所預(yù)測的結(jié)果與實際情況尚存在著偏差，因而這部分損失計算一般都采用二維或準(zhǔn)三維的方法來計算。對于損失法而言，由于容積效率和機(jī)械效率的變化不大，因此水力損失的準(zhǔn)確計算是最重要的，對預(yù)測精度影響也是最大的。

泵的容積損失主要是由葉輪前密封環(huán)處的泄漏造成的，多級泵還包括級間泄漏。

泵的機(jī)械損失是指機(jī)械摩擦引起的功率損失。一般分為兩種，一種是軸承、軸封等部位的固體摩擦損失，這部分損失是軸功率的1％到3％；另一種是葉輪旋轉(zhuǎn)時，其蓋板外側(cè)及外緣與介質(zhì)摩擦引起的損失，稱為圓盤摩擦損失，通常認(rèn)為圓盤摩擦損失與葉輪外徑的五次方成正比.

損失法的優(yōu)點是可以全面考慮泵內(nèi)各種因素的影響，對實際工程中的性能預(yù)測有著一定的實用性和準(zhǔn)確性。損失法的缺點在于應(yīng)用損失法時總要對某一具體的泵進(jìn)行一些條件簡化以建立損失模型、然后再計算各種損失，因此其計算復(fù)雜且不具有普遍性。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork，ANN)亦稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork，NN)，是由大量處理單元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)，是對人腦的抽象、簡化和模擬，反映人腦的基本特性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算能力有三個顯著的特點：一是它的非線性特性；二是大量的并行分布結(jié)構(gòu)；三是他的學(xué)習(xí)和歸納能力。歸納指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)(訓(xùn)練)過程中能為新的輸入產(chǎn)生合理的輸出。具有了這些特性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠解決許多復(fù)雜的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種結(jié)構(gòu)形式，其中BP網(wǎng)絡(luò)(誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))由于算法清楚，學(xué)習(xí)精度較高，同時它還具有優(yōu)良的函數(shù)逼近特性和非線性映射能力，因此在泵性能預(yù)測中得到了應(yīng)用。

在利用BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行泵性能預(yù)測時，首先要選取大量優(yōu)秀的泵水力模型的參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練之后，還要再用一部分優(yōu)秀的水力模型參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校驗。若誤差在控制范圍之內(nèi)則可用來進(jìn)行性能預(yù)測，否則要繼續(xù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，在用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能預(yù)測時，輸人模式的選取在很大程度上影響著預(yù)測的精確性。因此在具體應(yīng)用時對輸入模式一定要給予充分的重視。目前大多數(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測泵性能的研究都是基于現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)軟件完成的。如應(yīng)用NeuroShell2軟件采用BP網(wǎng)絡(luò)對離心泵的性能進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果具有一定的精度。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測泵性能方面除了有算法清楚、學(xué)習(xí)精度高、訓(xùn)練后進(jìn)行速度快、映射能力強(qiáng)等優(yōu)點之外，還有一個很大的優(yōu)點就是：在現(xiàn)有商業(yè)軟件基礎(chǔ)上，一旦選定算法和輸人模式之后其過程和思路就會變得非常簡單和清晰。但利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測泵性能時也存在著一些不足之處，學(xué)習(xí)算法的收斂速度較慢，由于是梯度下降法所以不能保證收斂到全局最小點，中間層個數(shù)及中問層的神經(jīng)元素的選取缺乏理論指導(dǎo)，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶具有不穩(wěn)定性。不過即使這樣，未來利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測泵性能也必將是研究的熱點。。二．本題的基本內(nèi)容：設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容與要求及其主要技術(shù)指標(biāo)：1．有關(guān)本課題的任務(wù)要求：分段多級泵的功能是平衡盤實現(xiàn)定位平衡軸向上的軸向力、聯(lián)軸器和電動機(jī)相連接，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)距傳給葉輪、葉輪導(dǎo)葉往復(fù)運動；軸承架的頂緊、軸承快速退回、保持原位。2．有關(guān)本課題的工藝參數(shù)：清水泵參數(shù)：流量Q=220揚程H=850m，裝置汽蝕余量，電機(jī)輸出功率P=800kw3．工作量分析及任務(wù)分解：（1）設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)需要實現(xiàn)的功能設(shè)計分段多級泵的原理圖，設(shè)計葉輪和導(dǎo)葉、泵殼壁厚、泵的各種附件畫多級泵裝配圖和各零件圖；（2）繪圖：A1分段多級離心泵零件圖四張，A0裝配圖一長。（3）論文編制：按照學(xué)校相關(guān)文件的要求編寫設(shè)計論文。（4）英文翻譯：要求翻譯出漢字約為3000字左右的專業(yè)技術(shù)文章。進(jìn)度安排序號畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進(jìn)度日期（起止周數(shù)）%1教師布置題目；查閱資料；寫參考文獻(xiàn)（至少15篇）；外文翻譯（教師限制譯文內(nèi)容、方向）；根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)和需求，確定設(shè)計方案。第1——2周102設(shè)計分段多級離心泵的原理圖原理圖，計算后選擇水泵和電機(jī)。確定油箱容積并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。第3——5周253選液壓疊加閥和附件，中期檢查。第6周104繪制液壓系統(tǒng)零件圖和裝配圖。第7——9周355按規(guī)定格式編制設(shè)計說明書。第10——11周56預(yù)答辯、修改設(shè)計說明書和圖紙第12周107答辯第13周5三、推薦使用的主要參考文獻(xiàn)：[1]凌智勇編著.機(jī)床液壓系統(tǒng)及故障維修.化學(xué)工業(yè)出版社.2007.7；[2]張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計.化學(xué)工業(yè)出版社.2005.8；[3]邵俊鵬,周德繁,韓桂華,劉家春編著.液壓系統(tǒng)設(shè)計禁忌.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.5；[4]張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計.化學(xué)工業(yè)出版.2006.6；[5]張嵐，弓海霞，劉宇輝.新編實用液壓技術(shù)手冊[M].北京：人民郵電出版社,2008[6]張平格.液壓傳動與控制（第2版）[M].冶金工業(yè)出版社，2008[7]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（液壓傳動與控制）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[8]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（液壓傳動與控制）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[9]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社；2005（5）[10]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（第4卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005指導(dǎo)教師意見