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1、1项目总结报告书项目编号：BY2014123-09项目名称：高性能多级导叶式离心泵关键技术研究及产品开发起止时间：2014 年 7 月-2016 年 6 月根据项目合同书的要求，本项目主要以多级导叶式离心泵为研究对象，对多级导叶式离心泵时序效应、多工况水力设计方法、流固耦合技术、内场噪声和外辐射噪声数值计算方法等进行了较为深入的研究，同时对多级导叶式离心泵转子模态、振动和噪声特性进行较为系统的试验研究，初步建立了多级导叶式离心泵水力设计方法和噪声计算方法，研究成果不仅丰富了多级离心泵的设计理论和方法，还为深入开展其它类型的离心泵节能设计研究提供了借鉴。一、主要研究结论1、多级离心泵技术的专利分

2、析为了分析多级离心泵发展趋势，从专利数据的视角对国内外多级离心泵技术进行深入研究，剖析了国内外多级离心泵技术的专利申请趋势、申请国家分布、IPC 分布、申请人分布、以及专利被引频次，同时基于专利地图技术对国内外多级离心泵技术的主要研究方向进行分析。研究结果表明：全球多级离心泵技术的研究相对较少，主要集中在中国，正处于发展阶段，多级离心泵技术仍然是研发的热点，在未来依然会持续发展；国外多级离心泵技术的专利权人以企业和个人为主，国内则以科研单位居多，多级离心泵技术的研究成果并没有完全产品化和市场化；多级离心泵技术的专利主题主要集中在泵零部件的设计研究，其应用研究相对较少；多级离心泵的核心技术或基础

3、研究主要分布在美国，被引频次最高的专利是 US7407371B2。2、多级泵导叶式离心泵转子时序效应（1）采用 CFD 方法研究了一台 2 级导叶式离心泵内转子时序对泵动力学特性的影响，结果表明：当下游叶轮周向时序调整后，泵的扬程和效率基本不变，各级流道内的压力脉动的幅值主要受所在级叶轮的影响，但同一时刻下扬程和流道内压力的瞬态波动相位发生偏移，最大偏移达 90 度；叶片通过频率上的轴向力振幅随叶轮周向错位角度的增大而减小，径向力随错位角度呈先减小后增大再减小的趋势，轴向力和径向力的最大减小幅度分别为 84.72%和 89.8%。2采用 CFD 和 FEA 联合仿真的方法研究了转子时序效应对该

4、 2 级导叶式离心泵泵体振动特性的影响，结果表明多级泵叶轮时序布置后，叶频及其谐频上的振动幅值得到明显降低；当次级叶轮周向位置处在最大时序角度时，振动最大值出现最大降幅达56.3%。（2）基于试验和正交设计研究了转子时序对一台 5 级导叶式离心泵能量特性和振动特性的影响，试验表明：转子时序调整后五级泵的扬程和效率在全流量范围内变化不显著；额定工况下，转子时序对主要峰值频率（1f n、2f n、3 fn、4f n 和 8fn）的幅值有较大影响，最大降幅达 55.1%；泵的最大烈度发生在进口端垂直方向，在最优转子时序布置下，振动最大烈度值下降了 23.1%，全流量范围内的平均振动水平下降了 17.

5、3%。基于 5 级导叶式离心泵振动试验结果提出了通过时序布置优化泵振动特性的方法。初步探明：应避免高级数的叶轮发生连续同步时序，在此前提下上游叶轮连续两级同步时序有利于抑制振动，另外在末级叶轮的上游应布置连续两级的同步时序方案。并归纳出了最优振动特性时的转子时序位置计算公式，提高了时序优化方法通用性。3、多级导叶式离心泵多工况水力设计方法建立了一种多级导叶式离心泵多工况水力设计方法，即以单点设计结果为初始条件、以导叶与叶轮的面积比为约束条件、以多个工况点的加权平均效率最高为目标，基于全局优化算法对其多工况水力计算模型行求解，从而得到一组最优的泵关键几何参数值（其中工况点数 i=3）。同时对一

6、5 级导叶式离心泵进行了三工况水力设计，得到了D21、 21、b 21、 1、D 22、 22、b 22、 2、D 3、D 4、 3 和 A3 的最优解，并在此基础上绘制出了叶轮和导叶的水力模型。4、基于流固耦合的多级导叶式离心泵动力学及声学分析根据上述研究结果，对该 5 级导叶式离心泵进行结构设计，并基于流固耦合计算对转子进行动力学分析。结果表明：转子部件的前 2 阶固有频率非常接近，第 3 阶和第 5阶固有频率的振幅最大；旋转离心力和流固耦合力对模态计算的影响较小，远小于轴承约束对模态计算的影响；第 1 阶的振型表现为 YZ 平面的扭转振动，第 2 阶与第 3 阶的振型表现为沿 Y 方向上

7、下摆动及沿 Z 方向前后摆动，摆动方向接近垂直。该 5 级导叶式离心泵结构较合理，不易发生共振。泵壳振动过程中的能量主要集中在前 2 阶，弯曲变形是该泵泵壳的主要振动方式。泵体两端轴承处的振动变形较大，在结构设计中应考虑增加这两部分的刚度。在 SYSNOISE 平台上基于 DBEM 对该 5 级导叶式离心泵封闭内腔声场进行求解，研3究表明：随着流量的增加，泵的进口及出口场点处总声压级均呈现增大的趋势，而在设计工况下取得较小值；随着流量的增大，声压频率分布中 BPF2 及其特征频率上的噪声信号而不断增强，高频段的噪声能量明显增加；首级叶轮、后四级叶轮及正导叶的叶片数对泵内流噪声影响较大，反导叶叶

8、片数产生的影响相对较小。基于声振耦合计算方法对该 5 级导叶式离心泵外辐射噪声进行计算，其中结构体模态分析采用 FEM 方法，声场求解采用 BEM 方法。结果表明：五个工况下声功率辐射功率趋势基本保持一致，并随着流量的增加，泵的辐射声功率呈现先增大，在设计流量下减小后增大的趋势；声压随距离泵中心的距离增大而逐渐减小，首级叶轮与末级叶轮附近区域噪声最为剧烈；同一声源，同一监测半径，不同周向位置获得的噪声值不同；在BPF2处场点声压分布数量级相较 BPF1处声压较小。5、多级导叶式离心泵样机研制及实验测量对该 5 级导叶式离心泵进行研制，由扬州长江水泵有限公司负责加工制造。该泵配有平衡盘轴向定位保

9、护装置，在泵正常运行时强制平衡盘与平衡环分离，避免误动作对平衡盘的磨损，使得平衡盘不再是易损件。叶轮采用精密铸造，并对叶轮磨损面表面进行喷焊硬化处理，以确保过流部件的耐磨性。其导叶流道采用数控加工中心铣出，减少导叶流道内的水力损失。并对该泵进行了外特性实验测量、压力脉动测量、振动和噪声测量，主要结论如下：（1）选用一台仍在徐矿集团庞庄煤矿中正常使用的同一比转数的 8 级导叶式离心泵进行性能比较。结果表明：5 级导叶式离心泵在 0.8Qd、1.0Q d 和 1.2Qd 三个工况下的加权平均效率比 8 级导叶式离心泵的高 3.11 个百分点。（2）压力脉动测点 P1P5 的主频分别为 BPF1、9

10、APF、BPF2 、BPF2、9APF，按照测点的顺序，压力脉动的强度呈先增大后减小的趋势，在测点 P2 处脉动最强。测点 P1压力脉动的低频特征频率峰值会随着流量的增大而逐渐增大，叶频的特征频率峰值随着流量的增大而先增大后减小，并在设计工况下达到最大。由于导叶的光滑平顺作用，从测点 P2 到测点 P5，6APF 的峰值逐渐降低；出口处压力脉动的强度明显低于各级中段处的压力脉动，但频谱图范围比其他测点更为宽泛，特征频率更多。首级叶轮产生的 6 倍轴频与次级叶轮产生的 7 倍轴频产生干扰，流动较为紊乱，使得测点 P2 的压力脉动幅值明显高于其他测点。偏离工况时，压力脉动幅值明显增大，测点 P1、

11、P2 、P4 的脉动幅值最低值均出现在设计工况处。（3）振动的主要特征频率有 4APF、BPF 2、9APF、2BPF 2、3BPF 1、4BPF 1、4BPF 24等；出口法兰处振动的特征频率明显多于进口法兰处振动的特征频率；试验泵泵脚的振动幅值不高。转子运转产生的径向力大于轴向力，且有明显的周期性，导致了两端轴承在水平和竖直方向的振动强度大于轴向的振动强度。泵组的振动主要来源于电机的振动。随着流量的增加，电机的振动逐渐增大，试验泵的振动先减小后增大，并在设计工况下达到最低振动水平；大流量下振动加速度级的增加比小流量下振动加速度级的增加更为明显；总体振动强度的大小排序为：轴承、出口法兰、进口

12、法兰、底座。由该 5 级导叶式离心泵两端轴承座各方向的振动幅值可知：轴承座三方向上最大振动速度为 1.10mm/s，该泵的振动等级为 A 级。（4）电机所产生的噪声贡献了该 5 级导叶式离心泵泵组噪声的大部分，距离电机越近的测点噪声水平越高；随着流量的增加，试验泵的噪声会逐渐增大，同时测点之间噪声水平的差距越来越小，在流量为 40m3/h 时，各测点噪声的最大差距为 7.7dB，而当流量为 120m3/h 时，各测点噪声的最大差距只有 1.7dB。0.8Qd 工况下该 5 级导叶式离心泵端附近的五个测点中最大噪声值为 75.4dB，属于B 级噪声； 1.0Qd 工况下泵端附近的五个测点中最大噪

13、声值为 76.6dB，属于 A 级噪声；1.2Qd 工况下泵端附近的五个测点中最大噪声值为 83.2dB，属于 B 级噪声。0.8Qd、1.0Q d 和 1.2Qd 三个工况下该泵的噪声都合格，该 5 级导叶式离心泵三个工况下的噪声比标准（C 级）平均低 10.2dB。二、主要研究成果（一）发表论文1 王凯，王文博，刘厚林，夏晨. 多级离心泵叶轮与导叶的匹配特性 J. 排灌机械工程学报，2016，34(5) ：392-398，405.2 王凯，王文博，刘厚林，丁荣，郭豹. 安全壳喷淋泵转子系统热冲击特性分析 J. 原子能科学技术，2016，50（7）：1208-1215. EI 检索3 Wan

14、g Kai, Liu Houlin, Zhou Xiaohua, Wang Wenbo. Experiment research on pressure fluctuation and vibration in a mixed flow pumpJ. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016, 30(1): 179-184. SCI 检索4 Wang Kai, Liu Qiong. Correction and experimental verification of velocity circulation in a double-

15、blade pump impeller outletJ. International Journal of Fluid Machinery and Systems, 2015, 8(4): 311-317. EI 检索55 夏晨，王凯，刘厚林，谈明高，陈昆，翟松茂. 基于流固耦合的多级离心泵转子模态分析C/ 第八届全国水力机械及其系统学术会议，2015.11.6-8，西安，陕西，HMAS8-047. 6 夏晨，刘厚林，王凯，王文博，陈昆. 喷淋泵流道式导叶型线的水力优化设计 J. 水电能源科学，2016，34(6)：173-177.7 蒋玲林，刘厚林，王凯，邵昌. 径向导叶出口型式对洒水车泵压

16、力脉动的影响J. 排灌机械工程学报，2016，34(4)：290-294，300.8 唐晓晨，朱智朋，邱勇，王凯，吴贤芳. 离心泵叶轮导叶动静干涉的PIV测试J. 中国农村水利水电，2016（7）：112-115.9 谈明高，戴菡葳，刘厚林，丁剑，丁荣. 多级离心泵叶轮时序对振动性能影响的数值研究J. 振动与冲击，2015，34（24）：117-122. EI检索10Houlin Liu, Xinxiang Chen, Kai Wang, Minggao Tan, Xiaohua Zhou. Multi-condition optimization and experimental study

17、 of impeller blades in a mixed-flow pumpJ. Advances in Mechanical Engineering, 2016, 8(6): 1-9. SCI 检索11卢展雄，刘琼，王凯，陈昆. 基于专利地图的国内外多级离心泵技术分析J. 排灌机械工程学报，录用12 王凯，蒋玲林，张子旭，陈昆. 两级自吸离心泵设计及实验测试J. 中国农村水利水电，录用（二）知识产权1 王凯，刘厚林，王文博，谈明高，王勇，董亮，吴贤芳，代翠. 一种多级离心泵流道式导叶多工况水力优化方法，发明专利申请号：201510608699.4，申请日：2015.09.22.2 王凯，

18、刘厚林，王文博，谈明高，王勇，董亮，吴贤芳，代翠. 叶片内、外缘流线高匹配的多级离心泵导叶水力设计方法，发明专利申请号：201510674177.4，申请日：2015.10.16.3 王凯，刘厚林，王文博，谈明高，王勇，董亮，吴贤芳，代翠. 一种多级离心泵流道式导叶叶片进口安放角设计方法，发明专利申请号：201510609715.1，申请日：2015.09.22.4 王凯，刘厚林，谈明高，王勇，董亮，吴贤芳，代翠. 一种超低比转数离心泵叶轮多工况多目标水力优化方法，发明专利申请号：201510686219.6，申请日：2015.10.21.5 王凯，刘厚林，董亮，谈明高，王勇，吴贤芳，张景.

19、一种基于物联网的水泵泵组智6能监控与故障预警方法，发明专利申请号：201610299558.3，申请日：2016.05.04.6 王凯，何相慧，刘厚林，谈明高，王勇，董亮，明加意，吕云. 一种高温泵散热装置，发明专利申请号：201610467323.0，申请日：2016.06.23.7 王凯，陈昆，刘厚林，翟松茂，腾康乐，娄建伟. 基于“互联网+”的潜水泵实时故障诊断与维修方法，发明专利申请号：201610531397.6，申请日：2016.07.08.8 刘厚林，谈明高，王凯，吴贤芳，董亮. 多级离心泵径向导叶水力设计软件，软件著作权登记号：2015SR288993 ，登记日：2015.12

20、.30.（三）奖励1 王凯、刘厚林、董亮、吴贤芳、代翠、刘琼、马皓晨、谈明高、丁剑、丁荣，2015年中国商业联合会科学技术二等奖，低比转数无驼峰离心泵关键技术研究与推广应用，2015.12，排名第一2 刘厚林、王凯、袁寿其、谈明高、王勇，中国专利优秀奖，一种基于CFD的离心泵多工况水力优化方法，2014.11，排名第二3 王勇、刘厚林、董亮、吴贤芳、王凯、刘兴华、刘庆、代翠、王健、陈新响，中国商业联合会科学技术一等奖，流道式离心泵多工况节能设计关键技术研究及应用，2014.12，排名第五（四）研究生培养1 王文博，核电站用喷淋泵水力性能优化及可靠性分析，硕士论文，2015年6月毕业2 戴菡葳，

21、转子时序对多级离心泵性能影响的数值模拟与试验测试，硕士论文，2015年6月毕业3 蒋玲林，两级自吸离心泵设计及性能分析，硕士论文，2016年6月毕业4 夏晨，节段式多级离心泵转子动力学特性研究，硕士论文开题报告，2017年6月毕业5 李钰，低噪声船用离心泵水力及结构优化，硕士论文开题报告，2018年6月毕业三、深入研究展望尽管本研究取得了一些成果，但由于多级导叶式离心泵输送介质较多，且受现有实验条件、时间和研究基础的限制，本研究还不够系统，未来可以对矿用多级导叶式离心泵固液两相流动机理、磨损机理和空化特性做进一步的深入研究，以全面提高我国多级导叶式离心泵的设计与制造水平。7对照合同要求，本课题已完成合同中规定的所有研究内容。