隨著流體機械的快速發展,特別是泵行業,結構簡單且工作效益高的凸輪泵越來越受到研究人員的關注。凸輪泵是一種特別形式的容積泵,轉子與腔壁間和兩個轉子間都存在合理的間隙。間隙的存在能保證介質安全輸送,使轉子與泵壁間不會產生滑動摩擦,延長泵的使用壽命。由于凸輪泵耗電量少、效率高,并符合國家的節能減排政策,各企業正在大力推行。目前,對凸輪泵的水力設計比較盲目,缺乏對凸輪泵的型線設計理論和介質在泵中的流動特性及工作參數的預測。本文以轉子為直齒類型的凸輪泵為研究對象,對其工作原理及結構、型線的構成、模擬計算等幾個部分進行了研究。 首先,一對完全相同的轉子是凸輪泵的核心零件,兩轉子在泵腔內做持續的同步反向旋轉運動,使介質吸入到泵腔中加壓后排出。按照葉片的個數可以分為單葉、兩葉、三葉和多葉的轉子,本文主要針對兩葉的轉子凸輪泵展開研究。 其次,對三種不同的轉子型線進行分析,分別是漸開線和圓弧、葉峰為圓弧葉谷為共軛曲線、葉峰為共軛曲線葉谷為共軛曲線的轉子模型。通過幾何方法和兩轉子的嚙合原理求解出轉子的理論型線方程。由于轉子與腔壁間和兩轉子間存在間隙,利用轉子中心偏移法求出轉子型線的實際方程。根據轉子型線方程利用積分法求解出不同類型凸輪泵的容積利用系數。在轉子型線為漸開線—圓弧的基礎上,提出了在漸開線和圓弧的銜接處插入一段高階曲線的優化方案,能有效的消除“尖點”現象,保證整條型線連續、光滑。 應用計算機相關軟件建立凸輪泵的二維、三維模型。建立完整的凸輪泵流場模型導入Gambit軟件中劃分網格和檢查,并限定各模型進出口的邊界條件。Fluent計算中,應用動網格理論導入對應UDF文件驅動兩轉子同步反向轉動,采用K-Epsilon湍流模型及PISO算法對凸輪泵非定常湍流計算。在凸輪泵的入口端和出口端給予監視器進行監測。 最后,通過監測得到的數據可得到以下結果： 1.二維模擬計算中,三種模型的輸出速度都呈現周期性的波動,漸開線和圓弧構成的模型輸出的平均速度最大、綜合性能最好；葉峰為共軛曲線葉谷為圓弧的模型波動的最劇烈、輸出速度小,性能差。 2.對漸開線模型和葉峰為圓弧模型三維計算對比,兩種模型輸出流量和壓力都呈現周期性的波動,漸開線模型輸出壓力較小,壓力“脈動”現象較為明顯,但輸出的流量較大；葉峰為圓弧模型輸出壓力大,但流量較小。轉子為漸開線的凸輪泵工作效率最優。 3.介質在泵腔內會出現二次流動和漩渦現象,主要出現在轉子邊緣處和兩個轉子嚙合處,這種現象會損失介質的能量,造成泵的工作效率降低。 4.對于漸開線和圓弧構成的模型在轉速提升的同時,出口的流量和壓力都隨之上升,壓力波動的頻率隨之升高,產生較大的噪音。出口壓力達到一定范圍后,出口流量并沒有增加,此時,凸輪泵模型泄漏或其他形式損失的能量較大,泵的工作效率降低。

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