摘 要

本次毕业设计是关于有机工质的增压泵设计，采用的是多级离心式的增压泵的设计方案。本文首先对有机朗肯循环原理进行简单概括，并介绍了有机朗肯循环的研究意义和国内外发展现状。接着对离心泵的发展现状进行了介绍，并对增压泵的设计研究内容做了简单的概括。然后对有机朗肯循环简单介绍并建立热力模型，使用MATLAB和REFPROP软件进行有机朗肯循环热力计算。通过热力计算得到增压泵设计的要求，接着对增压泵的叶片和导叶部分进行水力计算和结构设计，用CAD画出泵的流道图和叶片结构图，并进行速度校核。接下来主要对挑选的多级离心泵核心部件采取强度校准，之后再根据多级离心泵的构造构出相应的装配图和零件图。

关键词：有机朗肯循环 离心泵 R134a

Design of booster pump for organic working fluid R134a

Abstract

The graduation design is about the organic refrigerant booster pump design, the use of multi-stage centrifugal booster pump design. This paper first summarizes the organic Rankine cycle principle and introduces the research significance of organic Rankine cycle and the development status at home and abroad. Then the development status of the centrifugal pump is introduced, and the design of the booster pump is briefly summarized. Then the organic Rankine cycle is introduced and the thermodynamic model is established. The organic Rankine cycle thermodynamic calculation is carried out using MATLAB and REFPROP software. According to the requirements of the design of the booster pump, the hydraulic calculation and structural design of the blade and guide vane of the booster pump are carried out. The flow chart and the leaf structure of the pump are drawn with CAD and the speed is checked. Then the main selection of multi-stage centrifugal pump core components to take the intensity of calibration, and then according to the structure of multi-stage centrifugal pump structure of the corresponding assembly diagram and parts.

Keywords: Organic Rankine cycle; Centrifugal pump; R134a

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究有机朗肯循环的背景意义 1

1.2 有机朗肯循环的发展现状 1

1.2.1 国外有机朗肯循环的发展现状 1

1.2.2 国内有机朗肯循环的发展现状 2

1.3 离心泵的研究现状 2

1.4 离心泵的研究内容 3

第二章 有机朗肯循环的模拟及增压泵的设计 5

2.1 有机朗肯循环的模拟 6

2.1.1 有机朗肯循环的工作原理 6

2.1.2 有机朗肯循环的模拟 6

2.2 叶轮水力设计 8

2.2.1 泵主要参数和结构的确定 9

2.2.2 叶轮的尺寸计算 11

2.2.3 绘制叶轮轴面投影图 14

2.2.4 分流线 15

2.2.5 流线分段 16

2.2.6 叶轮出口速度 18

2.2.7 叶轮进口速度 19

2.2.8 速度变化情况检查 21

2.3 导叶设计 24

2.3.1 正导叶主要尺寸的确定 24

2.3.2 螺旋线部分的设计 24

2.3.3 扩散段的设计 24

2.3.4 反导叶尺寸的确定 25

2.3.5 反导叶出口段设计 26

2.4 本章小结 26

第三章 强度校核 27

3.1 叶轮的强度计算 27

3.2 泵体的强度计算 27

3.3 拉紧螺栓的强度计算 27

3.4 螺母的强度计算 28

3.5 键的强度计算 28

3.5.1 联轴器内键的强度计算 28

3.5.2 叶轮内键的强度计算 29

3.6 联轴器的强度计算 29

3.7 泵轴的强度计算 29

3.8 本章小结 30

第四章 结论 31

参考文献 32

附 录 34

致 谢 38

第一章 绪论

1.1 研究有机朗肯循环的背景意义

有机朗肯循环是一种用有机工质代替水进行循环的朗肯循环。它相比于普通的朗肯循环来说优势在于可以将更低温度的热源进行利用。由于此循环操作流程中应用的有机工质在沸点上与水相比较低，所以对于热源类别选择来说，就存在着各种选择形式。例如选取太阳能、地热能、生物质能、工业余热等温度更低一些的热源^[1]，而不需要像普通火电厂那样燃烧煤炭不断产生高温来维持循环进行。因此大力发展有机朗肯循环势必会对环境带来改善。目前我国正在飞速的发展之中，2016年我国GDP增长指数为6.7%，如此快速的经济增长势必需要庞大的能源来支持。而我国能源利用率却十分低下，只有30%左右^[2]。而我国的能源总量有如此巨大，因此浪费掉的能源可想而知是更加巨大的，所造成的环境污染也是非常严重的，我国北方地区的雾霾以及全球各地气候变暖已经是我们能亲眼看到、亲身体会到的了，所以环境问题是刻不容缓的。发展有机朗肯循环这样可以减少能源浪费、改善环境污染的技术就非常重要。

1.2 有机朗肯循环的发展现状

1.2.1 国外有机朗肯循环的发展现状

在欧美等早期发达国家，对有机朗肯循环发电技术的研究起步较早，可以追溯到上世纪60年代^[3]，当时已经有部分有机朗肯循环发电技术试验样机，但是由于有机朗肯循环发电技术只在余热回收和新能源领域有所运用，受到了技术和政策的影响，直到最近二十几年内才得到真正发展。现在我国对有机朗肯循环系统的探讨包括Vaja等^[4]，他们主要在有机朗肯循环系统的回收作用下对柴油机尾气和冷却水余温进行回收，如此便可一定程度上使柴油机的总热效率增加12%。Kane等^[5]将只有90℃的冷却水，用在使用了有机朗肯循环系统的200kW的生物质能发动机上，结构却得到了7kW的电力，使生物质能发动机的使用成为了可能。Roy等^[6]对恒定压力的过热期间基于使用R-123和R-134a的参数优化的再生有机朗肯循环的分析，发现R-123是比R-134更好的工作介质用于将低温余热转化为电能。要想深入研究改善有机朗普循环性能的方法，一部分研究人员研究出一种抽气回热式有机朗肯循环系统。Mago等^[7]将干流体R113当作系统工质，分别对抽气回热式有机朗肯循环系统和基本有机朗肯循环系统进行了比较，对比显示前者的热效率明显高于后者的热效率。

1.2.2 国内有机朗肯循环的发展现状

随着最近我国科研技术的不断发展，我国相应高等院校及研究院一直致力于有机朗肯循环的中低温余热发电实验的相关研究，还相应的创立了多项省级科研基金项目，有针对性的对此循环中的中低温余热技术提供了资金支持。目前基本上完成了热力计算与建模及筛选适用的工质，并对不同的工质展开分析和对比，邵应娟等^[8]为研究环保新型有机工质应用于微型朗肯循环热电联供系统的适应性和循环效率，有计划性的利用三种有机工质构成了经典的微型有机工质朗肯循环热电联供循环系统，同时创建了基于系统热力学原理的能量流通模型。李宁等^[9]针对性的探讨了低温余热热源方面的问题，他们致力于基本式和再热式循环的基础理论采取了深入研讨。基于热力学第一定律，他们探讨了各种状态时有机朗肯循环系统在不同蒸发温度情况下所表现出的热力性能状况。部分余热发电系统构造优化、换热器稳定及动态特征分析等工作同时也在开展中，王智等^[10]以R245ca和R601作为循环工质，研究了低温抽气回热式有机朗肯循环系统的两个参数，即抽气压力比与抽气系数对系统的影响。根据不同蒸发温度下的情况，从而能得到其最大的热效率和㶲效率。李梦奇等^[11]在低温热源条件下，针对不同工质，研讨了热力学下再热式循环系统的基本特征，同时一并获得各温度段下系统的净功率、热效率以及循环吸热量的具体数值，并且将其与条件相同的普通有机朗肯循环在特性方面进行了对比，从而得出循环状态下的最适压力比。但有关成果只停留在理论探讨层面，并未应用于实际生产中，并不具有有机朗肯循环设备制造的能力。一些重大研究成果举例如下：顾伟^[12]在2010年在国内首次研究成功了1kW级中低品位余热利用有机朗肯循环发电实验装置。上述装置将异丁烷作为实验的研究工质，将温度处于80~100℃之间的热水作为热源，利用涡旋式膨胀机的相关功能，使发电机有效输出功率为1.1kW左右，最大第一定律效率达到2.9%；王江峰等^[13]则是对比了卡琳娜循环和有机朗肯循环在水泥低温余热方面的应用，选取5000t/天的旋转窑生产线作为本次测算的样本，得出的计算数据表明卡琳娜提出的循环系统成效最佳；赵巍等^[14]把微型燃气轮机与R123工质的有机朗肯循环装置关联使用，模拟操作获得的数据基本上满足敏感性分析标准。

1.3 离心泵的研究现状

循环泵是有机朗肯循环中非常重要的一部分，其作用是将工质进行绝热压缩从而提高工质的压力再进行循环。此处涉及的循环泵是一种离心泵，他可以说是现在在实际应用操作领域使用最频繁的一种循环泵，占我国所有泵实际应用的70%以上。离心泵的核心部位是叶轮水力设计，对于该环节的设计方法包括两种，分别是相似设计法以及速度系数法，其实还可以利用实验操作对水力模型采取相应的改进措施。目前我国掌握的技术只能对离心泵做到半理论半经验研究。大部分的情况下还是需要试验来完善泵设计，在研究领域一个科学的设计试验可以通过少量的试验、短暂的周期和低价的成本获得高效的结果。

现在我国计算机行业发展的越来越快，而且技术也更加成熟，所以在优化设计的时候也更加方便，所以说使用这种技术建立的水力模型库也很完善。随着技术发展的越来越好，也在不断对这个模型进行改进。严敬等^[15]分析研究了Lobanof统计的蜗壳速度和叶轮的速度等等这些数据。沙毅等^[16]是根据资料和实验找出离心泵叶片的出口宽度、叶轮出口直径以及进口直径的速度这几者之间的关系，然后再进行进一步的分析和研究，就得出了比转数和速度系数之间的关系。葛宰林等^[17]是先对之前的算法进行研究，然后再加入了一些应用机械的元素，将离心泵叶轮的运作方式进行优化，使其工作的时候更加快速。戴江^[18]对影响泵叶轮里面流畅性的因素进行了分析。袁寿其等^[19,20]对转速比较低的时候泵叶轮里面流动的速度进行研究。他们为了使离心泵在比转速居中的时候还能够供应多个工况点工作，就根据之前用在低比转速离心泵上的方法进行研究，在低比转速离心泵上比较常用的是大流量设计法，根据这个方法，优化叶轮的工作方式。李昳^[21]对离心泵在低比速的时候的一些弊端进行了研究，主要的问题是，工作的效率比较低，而且很容易就会超过能够负载的量。李海峰等^[22]根据之前设计好的方案，用压力修正法模拟两种方式工作的情况，通过分析和对比，得出一些数据和结果，这些数据和结果都会为叶轮的改进提供一些依据。张振山^[23]针对建立这个模型的时候的一些问题进行研究，还对其进行分类，分析了这个模型开发出来有什么好处，也介绍了如何储存这些数据。张永学^[24]使用边界涡量流(BVF)理论研究叶片，找出了两者之间的关系，为以后对其进行改进提供了信息。于海力^[25]提出一种新的低比转数离心泵水力模型应用于耐磨泵设计，做了几个应用案例，通过水力试验结果并辅以CFD计算验证，确定了该水力模型对应的速度系数，充实了离心泵设计水力模型库。

1.4 离心泵的研究内容

针对有机朗肯循环热发电技术，设计一个满足其运行条件的离心泵。首先对有机朗肯循环进行热力计算，得出离心泵的基本参数来确定所需要的水力模型，采用与其相似比转速的离心泵的水力模型，重新设计出一个满足要求的离心泵，对离心泵流道和叶片进行CAD绘图，检查流道面积和速度是否符合要求。

第二章 有机朗肯循环的模拟及增压泵的设计

本章主要对有机朗肯循环进行模拟及对增压泵进行设计计算。将有机朗肯循环进行模拟，得到增压泵进出口的设计参数。参考《叶片泵设计与实例》对增压泵的叶轮部分进行水力设计，同时通过绘图来辅助设计。离心泵设计成功与否与叶轮的水力设计有至关重要的影响，所以叶轮是离心泵设计中的核心部分。然后对导叶进行水力设计，采用径向式导叶的设计方案，将叶轮部分和导叶部分进行绘图并完成离心泵的整体的绘图。

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