离心泵进口基于高效区宽度的优化及影响分析_高丙文.pdf

书书书2023 年第 2 期离心泵进口基于高效区宽度的优化及影响分析高丙文1，2王道成1陈云章1潘俞帆1刘立军1魏清希2(1 西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049;2 西安泵阀总厂有限公司，西安710025)摘要:化工离心泵常常会在偏离最优工况的条件下运行，结合“双碳”政策，化工离心泵在工况变化时依然处于高效运行显得尤为重要。因此，如何拓宽高效区宽度成为一个重要的问题。以一台六叶片离心泵作为研究对象，进行了数值模拟，将离心泵部分叶片进口处型线调整为螺旋型并分析了其对离心泵外特性的影响。结果表明:设计工况下，调整两枚叶片离心泵的外特性高于调整三枚叶片;周向相位变化将导致离心泵外特性变化;调整后，离心泵高效区变宽，小流量工况下叶轮效率显著提高。关键词:离心泵数值模拟螺旋型高效区宽度中图分类号:TH311文献标识码:A离心泵作为一种输送介质的动力机械，被广泛应用于石油、石化、天然气、航空航天、船舶、农业灌溉等各个领域。单就农业提水灌溉而言，依据数据统计，目前我国仅固定泵站所灌溉的农田面积已超过1400万 hm2 1。因此，离心泵高效节能、环保减排的运行，对国民经济的发展有着举足轻重的意义。一般来说，泵使用过程中流量常常控制在泵的高效区内，即从高效点到效率下降 5%的区间。当流量偏离使用工况时，水泵的运行效率较低，将造成资源上的浪费。传统的离心泵研究与优化工作常常只关注离心泵高效点及其附近的效率，关于高效区拓宽的研究较少。赵勇等2 通过正交试验的方法，对一台高比转速泵叶轮进行了优化，使效率提高了 13.22%。黄凯杰等3 通过数值模拟的方法，对泵产品进行优化设计，使产品性能达到预期。杨元健等4 通过遗传算法对某电子水泵进行优化，使电子水泵的效率提升了 15.9%，但高效区位置及高效区宽度并未发生变化。由于农用水泵使用场景众多，运行条件复杂，泵的实际运行工况经常发生变化，因此设计农用水泵时需要关注泵偏离设计工况后的效率5。通过调整一台化工离心泵叶片的进口结构，采用数值模拟的方法，对比分析了调整前后离心泵外特性的变化情况，研究了结构调整对离心泵高效区宽度的影响，以期为后续农用离心泵设计提供参考。1模型参数与网格划分选取一台比转速为 147.9 的离心泵作为研究对象，其基本参数如表 1 所示。由于螺旋离心泵具有高效区宽的特点6，将离心泵部分叶片进口型线调整为螺旋型7 9，并改变调整后叶片的周向相位。调整方案如表 2 所示，周向相位定义如图 1 所示。通过 Pro/E 对各方案下的离心泵进行三维建模，如图 2 所示。表 1泵的基本参数参数数值设计流量 Q/(m3/h)610设计扬程 H/m90额定转速 n/(r/min)2900叶片数6表 2离心泵进口调整方案方案名称被调整的叶片数未调整的叶片数周向相位/()2 4 3024302 4 3524352 4 4024403 3 3033303 3 3533353 3 40334012023 年第 2 期图 1周向相位的定义图 2几何模型使用 ICEM 进行非结构化网格划分。初步计算判断叶轮进口流动变化较为剧烈，对该区域网格进行局部加密处理。对网格进行无关性判断，当叶轮网格数达到 700 万后外特性计算结果波动已稳定在0.5%内，得到满足研究要求的网格。2数值计算方法与边界条件数值计算采用 CFX 软件，选用适用于旋转机械流动计算的 SST k 湍流模型10 11;动静交界面设置采用 Frozen otor 模式处理;压力和速度耦合采用 SIMPLEC 算法12 13;差分格式采用二阶迎风格式。考虑重力对流体流动的影响，其中重力加速度为 9.8 m/s2，进口温度为 25，进口条件为总压10000 Pa，出口条件为质量流量，叶轮转速为2900 r/min，固体壁面采用无滑移、绝热边界条件，工作介质为水，收敛精度设为 104。3结果与讨论3.1未调整前外特性分析图 3 为未调整时六叶片离心叶轮的外特性曲线图。叶轮的高效点在 650 m3/h 附近;当流量小于550 m3/h 后，效率快速下降;当流量小于 490 m3/h后，效率低于 85%。流量小于设计流量后，效率快速下降，叶轮高效区较窄。3.2调整后设计工况下外特性分析图 4 比较了设计工况下各调整后方案的外特性。当调整的叶片数一定时，随着周向相位的增加，扬程增大，效率先增大后减小。设计流量下，调整三枚叶片的离心叶轮扬程与效率普遍低于调整两枚叶片的离心叶轮。图 5 为调整两枚叶片周向相位 35时流体的速度矢量图。调整进口段后叶片离心段进口速度分布发生变化，周向分速度增大，离心段进口预旋发生变化，其中调整三枚叶片的影响大于调整两枚叶片图 3未调整时离心叶轮外特性22023 年第 2 期图 4流量 610 m3/h 时各方案下离心泵外特性图 5流量 610 m3/h 时调整两枚叶片周向相位 35时速度矢量图的影响。因此，调整三枚叶片的离心叶轮扬程与效率普遍低于调整两枚叶片的离心叶轮。图 6 为流量 610 m3/h、调整两枚叶片且周向相位为 35时离心段进口各叶高处液流角大小。调整进口段后叶轮离心段液流角分布的周期性遭到破坏，相邻流道间的流动呈现明显的差异性。虽然随着叶高的增加相邻流道间液流角分布的差异逐渐减小，但差异性始终存在。图 7 对比了设计工况下不同调整方案中各流道的流量占比与面积占比。周向相位变化时，各流道面积占比与流量占比并未成比例变化，部分流道面积占比大幅减小但流量占比几乎不变。流道分配的变化影响各流道的做功能力，导致外特性发生变化。因此，随着周向相位的增加，扬程增大，效率先增大后减小。3.3调整两枚叶片周向相位 35时外特性数值模拟结果分析图 8 为调整两枚叶片周向相位 35时外特性曲线图。对比图 3，调整后的叶轮扬程有所下降，高效点向小流量区偏移。600 m3/h 附近的效率较高效点仅下降 2%。300 m3/h 时，叶轮效率仍高于图 6流量 610 m3/h 时调整两枚叶片且周向相位为 35时离心段进口各叶高处液流角大小图 7各方案下进口流量占比与进口面积占比对比图32023 年第 2 期图 8调整两枚叶片周向相位 35时外特性85%，高效区较未调整前成功向小流量区拓宽，且高效区整体变宽。图 9、图 10 对比了调整前后离心段进口的压力分布。相较调整前的离心叶轮，调整后叶轮离心段进口的低压区面积大幅度减少，叶片进口低压区分布向叶片中部移动，一定程度上增强了叶片的抗汽蚀能力。图 9调整前离心段进口压力分布图 10调整后离心段进口压力分布4结论针对某型号六叶片化工离心泵，参考螺旋离心泵型线设计，使用类螺旋离心叶片的结构对离心泵进口段部分叶片的型线做出了调整，并通过数值模拟的方法对比了各方案下离心泵水力特性，得到以下结论:(1)当调整的叶片数一定时，随着周向相位的增加，扬程增大，效率先增大后减小。(2)设计流量下，调整三枚叶片的扬程与效率低于调整两枚叶片。(3)调整离心叶轮进口段型线后，叶轮扬程有所下降，高效点向小流量区偏移，高效区较未调整前成功向小流量区拓宽，高效区整体变宽。(4)调整离心叶轮进口段型线，一定程度上增强了叶片的抗汽蚀能力。参考文献 1 任凯抽水站水泵技术改造与应用 J 山西水土保持科技，2021(1):42 46 2 赵勇，董威，肖业祥，等高比转速轴流泵叶轮与导叶的正交试验优化 J 水力发电学报，2022，41(3):92 100 3 黄凯杰，黎海雁，李文进，等双吸离心泵性能的分析及优化 J 水泵技术，2020(5):7 10，25 4 杨元健，张莉，王建长，等基于 CFD 的电子水泵叶轮优化研究 J 机电工程，2022，39(2):187 192 5 张德胜，施卫东，陆伟刚，等高效区宽离心泵的研制与试验研究 J 中国农村水利水电，2008(7):95 97 6 关醒凡现代泵理论与设计 M 北京:中国宇航出版社，2011 7 李仁年，苏吉鑫，韩伟，等螺旋离心泵叶轮叶片型线方程 J 排灌机械，2007，25(3):8 11 8 李仁年，陈冰，韩伟，等变螺距螺旋离心泵叶片型线参数方程的分析 J 排灌机械，2007，25(6):1 3，10 9 何希杰，劳学苏螺旋离心泵的原理与设计方法 J 水泵技术，1997(2):6 13 10 王福军流体机械旋转湍流计算模型研究进展 J 农业机械学报，2016，47(2):1 14 11 张显雄，张志田，张伟峰，等五种湍流涡粘模型在二维方柱绕流数值模拟中的对比研究 J 空气动力学学报，2018，36(2):339 349 12 PATANKE S V，SPALDING D BA calculation procedure forheat，mass and momentum transfer in three dimensional parabol-ic flows J International Journal of Heat and Mass Transfer，1972，15(10):1787 1806 13 DOOMAAL J P V，AITHBY G DEnhancements of the sim-ple method for predicting incompressible fluid flows J Numeri-cal Heat Transfer，1984，7(2):147 163(本文编辑陈丽霞)(收稿日期2022 10 09)4