新型二次供水设备中离心泵的转矩仿真分析_刘光.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315033新型二次供水设备中离心泵的转矩仿真分析收稿日期:2023 02 01作者简介:刘光(1993 )，男，助理工程师，从事给排水施工工作刘光(太原市海普给排水工程有限公司，山西 太原030024)摘要:在新型伺服直驱式二次供水快速发展下，重点研究了立式多级离心泵转矩的 Fluent 仿真分析，首先对离心泵进行有限元模型设计，其次进行流场求解设置，再求得不同工况下转矩的最值和改变转动轴的转速，分别测量各个转速下的转动轴转矩的大小以及出水口流量，最后得出立式多级离心泵的转矩与转速成正比关系。关键词:新型伺服直驱式二次供水;Fluent 仿真;立式多级离心泵中图分类号:TU991文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0128 040引言基于新型伺服直驱式二次供水设备在高层小区的广泛应用，需要的压力和流量更加准确。二次供水设备的工作原理是通过伺服电机带动离心泵运转，进而实现供水。所以供水设备中最重要的就是伺服电机和泵的连接，既要保证好两轴的同轴性，还要考虑立式多级离心泵转矩对供水的影响，转矩的大小会影响供水用户对供水流量和压力需求。下文中重点研究了立式多级离心泵转矩的 Fluent 仿真分析，通过有限元仿真分析分别测量各个转速下的转动轴转矩的大小以及出水口流量，最后得出立式多级离心泵的转矩与转速的关系。1新型伺服直驱式二次供水系统11新型伺服直驱式二次供水系统的基本组成新型伺服直驱式二次供水系统构成主要包括以下部分:控制机构、执行机构和其他辅助机构，通过各个机构互相配合工作，完成供水的二次加压动作1 2，解决城市居民特别是高层住户的用水问题，在供水水压无法满足用户正常用水水压情况下二次加压，满足用水高峰时期，大面积用水和高楼层用水的实际工况。12执行机构新型伺服直驱式二次供水设备的执行机构包括两组可调速离心泵，比例阀与供水管道。离心泵是二次供水设备中提供动力的装置，同时也是主要耗能装置，提高二次供水设备的节能效果的研究方向就是如何降低离心泵电机的能耗情况。本文主要的研究对象就是多级立式离心泵并对其转矩仿真分析。2立式多级离心泵的组成结构立式多级离心泵由以下部分组成:1)立式多级离心泵的 核 心 部 分:叶 轮，其 转 速 和 输 出 力 成 正 比。2)泵体，将叶轮封闭在一个密闭空间，以便于叶轮吸入以及压出流体。3)传递机械能的主要部件:转动轴，通过联轴器与伺服电机相连，将伺服电机的转矩传递给离心泵叶轮。4)起支撑作用的构件:轴承。5)密封环，作用是增加回流阻力减少内漏，延长叶轮和泵体的使用寿命。6)填料函主要由填料、水封环、水封管、填料筒、填料压盖组成。在实际生活中，如果泵和电机不是一体的，则在匹配过程中要特别注意泵的传动轴和电机轴头相适应，以避免传动效率降低和扭转应力对供水的影响。3立式多级离心泵转矩仿真分析转矩即转动力矩，是促使机械元件转动的力矩。而由于机械元件在转矩的作用下会产生一定程度的扭转变形，故而转矩又被称为扭矩。转矩的测量对传动轴载荷的确定与系统供水稳定性等都具有重要的意义。转矩作为立式多级离心泵的重要特性之一外，是离心泵内部流体流动特性的外在反映。下面运用仿真的方法对离心泵的转矩特性进行研究。31离心泵有限元模型设计在通过 Fluent 流体动力学仿真软件对离心泵的转矩进行仿真研究之前，首先运用三维软件设计出离心泵的仿真模型，该离心泵模型结构图如图 1 所示，包括水泵壳、叶轮、转动轴、进水口、出水口。其中，该离心泵属于立式多级离心泵，共有 6 个叶轮，叶轮直径为 194 mm，叶轮之间的间隙为 10 mm，水泵壳与叶轮之间的最小间隙为 3 mm，进水口与出水口的内径为 50 mm3。叶轮实体模型见图 2。图 1多级离心泵实体模型转动轴水泵壳叶轮进水口出水口821第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023图 2叶轮实体模型根据离心泵物理模型的具体要求，将离心泵的流动区域分为两大部分，主要包含离心泵水泵壳、进水口、出水口的外壁静止区域，以及离心泵内部 6 个叶轮和转动轴的动态区域。使用 ICEM 软件分别对两部分实体模型进行网格划分，离心泵几何模型较为复杂，曲率变化剧烈，划分非结构网格可以节省大量时间，所以将各个过流部件都采用非结构化的四面体网格并优化网格质量。整个离心泵计算模型的网格数量约为160 万，叶轮网格划分如图 3 所示，离心泵整体网格划分如图 4所示4。图 3叶轮网格划分图图 4离心泵整体网格划分图32流场求解设置1)定义湍流模型。针对离心泵和风机等旋转机械的特点，在 Fluent 流体动力学仿真软件中采用 MF(theMultiple eference Frame Model)来求解。模型设置采用定常模型、压力基求解器、隐式、eazliable k 湍流模型，壁面函数选择为 Standard Wall Function 并对模型进行设置。2)设置材料。由于该离心泵用于为高层小区供水，因此在材料的数据库中选择 water liquid，采用液态水的默认参数。3)设置计算域。流体域与旋转域的材料都设置为water liquid，在旋转计算域中勾选 Frame Motion，转速设置为 250 rpm 3 000 rpm，旋转中心轴选择 y 轴。4)设置边界条件。设置离心泵压力进口与压力出口边界条件，根据太原市市政管网的水压情况，设定进 口 压 力 为 0 3 MPa，出 水 压 力 分 别 设 置 为1 0 MPa 和 0 7 MPa，其余壁面设置为 Wall 边界。33离心泵仿真结果及数据分析该离心泵在实际运行中会遇到多种工况，如表 1 所示选择了比较有代表性的两种工况:进水口压力为太原市市政管网水压0 3 MPa，当转速为3 000 rpm 时，出水口压力达到 1 0 MPa，出水口流量达到 15 0 m3/h;当转速为1 500 rpm 时，出水口压力达到0 7 MPa，出水口流量达到 7 5 m3/h。表 1离心泵实际运行工况表参数工况一工况二进水口压力/MPa0 30 3出水口压力/MPa1 00 7流量/(m3h1)15 07 5转速/rpm3 0001 500如表 1 所示，其中工况一为该离心泵的最大工作需求，在新型伺服直驱式二次供水设备实际工程应用中，此工况为两栋小区内 7 层23 层住户同时开始用水，此时流量预计达到 15 0 m3/h 左右，由于用水楼层最高达到23 层，因此出水口压力需达到 1 0 MPa，离心泵转速将达到 3 000 rpm 来提供足够的水压与流量，以满足实际供水需求。其中工况二为两栋小区内 7 层14 层住户同时开始用水，较两栋小区内 7 层23 层住户同时开始用水的工况而言，此工况下用水流量明显降低，流量预计达到7 5 m3/h 左右，由于此工况下的用水楼层最高只有14 层，因此出水口压力不需要达到 10 MPa，此时出水口压力需达到 0 7 MPa，离心泵转速将达到 1 500 rpm 来提供足够的水压与流量，以满足实际供水需求5。通过表 1 中两种工况下不同出水口压力、出水口流量和离心泵转速的设计需求，并观察离心泵的转矩情况，对离心泵模型进行了相应条件下的流体动力学数值分析。图 5 为模拟出的工况一条件下的离心泵内叶轮表面的速度矢量分布图，图 6 为离心泵整体的速度矢量分布图。通过同样的方法可以仿真计算工况二下的各项结果。图 5叶轮表面速度矢量分布图VelocityVector 18.60e+0007.74e+0006.88e+0006.02e+0005.16e+0004.30e+0003.44e+0002.58e+0001.72e+0008.60e-0010.00e+000ms-1YZX00.100 0.200（m）0.1500.050图 6离心泵整体速度矢量分布图VelocityVector 1YZX00.100 0.200（m）0.1500.0508.60e+0007.74e+0006.88e+0006.02e+0005.16e+0004.30e+0003.44e+0002.58e+0001.72e+0008.60e-0010.00e+000ms-1921第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月刘光:新型二次供水设备中离心泵的转矩仿真分析如图5，图6 所示，从离心泵上方俯视状态下，离心泵叶轮的转动方向为逆时针方向，离心泵出水口水的流速要高于进水口水的流速。图 7 为离心泵内叶轮表面的压强分布，图 8 为离心泵的压强分布。通过同样的方法可以仿真计算工况二下的各项结果。图 7叶轮表面压强分布图PressureContour 11.608e+0071.245e+0078.812e+0065.179e+0061.546e+006-2.088e+006-5.721e+006-9.355e+006-1.299e+007-1.662e+007-2.025e+007PaYZX00.100 0.200（m）0.1500.050图 8离心泵压强分布图YZX00.100 0.200（m）0.1500.050PressureContour 31.023e+0069.581e+0058.931e+0058.281e+0057.631e+0056.981e+0056.331e+0055.681e+0055.031e+0054.381e+0053.731e+005Pa根据图 6 所示离心泵出水口的速度矢量分布图以及Fluent 后处理分析可得出离心泵出水口的平均流速为225 m/s6，而出水口的内径已知为 50 mm，出水口流量计算公式见式(1):Q=D24 V 3 600(1)其中，Q 为出水口流量，m3/h;D 为出水口内径，m;V 为出水口平均流速，m/s。根据工况一的仿真结果计算，离心泵进水口压力为03 MPa，出水口压力为 1 0 MPa 的情况下，在转速为3 000 rpm 时，出水口流量约为 15 90 m3/h，接近工况一的实际出水口流量 15 m3/h，并得到离心泵转动轴的转矩为 24 6 Nm。采用同样的方法对工况二进行仿真计算，根据工况二下的离心泵整体速度矢量分布图，可知离心泵出水口的平均流速为 1 07 m/s，由式(1)可得出水口流量约 为 7 56 m3/h。可 知 在 离 心 泵 进 水 口 压 力 为0 3 MPa，出水口压力为 0 7 MPa 的情况下，在转速为1 500 rpm 时，出水口流量约为 7 56 m3/h，接近工况二的实际出水口流量 7 5 m3/h，并得到离心泵转动轴的转矩为 11 3 Nm。为了进一步研究多级立式离心泵的转矩，在工况一的压力条件下，改变转动轴的转速，分别测量各个转速下的转动轴转矩的大小以及出水口流量，具体数据如表 2所示。表 2工况一下离心泵仿真数据表进水口压力/MPa出水口压力/MPa转速/rpm流量/(m3h1)转矩/(Nm)0310250081031050007903107500328703101 0002179803101 25035611403101 50056812503102 00072315303102 25098717903102 500127320103102 750146622403103 0001590246采用同样的方法，在工况二的压力条件下，改变转动轴的转速，分别测量各个转速下的转动轴转矩的大小以及出水口流量，具体数据如表 3 所示。表 3工况二下离心泵仿真数据表进水口压力/MPa出水口压力/MPa转速/rpm流量/(m3h1)转矩/(Nm)030725006303075000426303077501926703071 0003677803071 25058910403071 500756113为了找出离心泵转速与转矩关系，根据表 2 与表 3 所示数据，提取转速与转矩数据，绘制图像如图9 所示。图 9离心泵转速转矩关系图252015105转矩/（N m）250 5001 0001 5002 0002 5003 000转速/rpm工况一；工况二如图 9 所示，根据离心泵仿真结果，离心泵转动轴的转矩会随着转速的增加而增大，工况一与工况二对比可知，随着离心泵出水口的压力需求增大，在相同转速下，压力需求越大，所需的转矩就越大7 13。在工况一的压031第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑力条件下，离心泵达到最高转速 3 000 rpm 时，转矩达到最大值 24 6 Nm。4结论文中主要通过 Fluent 仿真软件对立式多级离心泵进行仿真研究。通过仿真分析和数据对比，找出极限工况下的转矩大小和立式多级离心泵的转矩与转速成正比关系，对电机匹配的准确性和整个设备的稳定性具有深远的影响。参考文献:1 谢中良 无负压二次供水方式探析J 湘潭师范学院学报(自然科学版)，2009，31(3):64 65 2 排非，吴立 模糊控制下新型二次供水设备的动力匹配 J 山西建筑，2022，48(19):113 115 3 王维，尤保健，陆荣，等 基于有限元法的多级离心泵结构强度及流固耦合分析 J 水泵技术，2020(3):29 32 4 Ningbo Duocheng Machinery Casting Co，Ltd Amulti-stage verticalcentrifugalpump:CN202120730419 8 P 2021 12 17 5Yang Junhu，Zhao Wanyong，Li Jinping Fluid flowanalysis and impeller design in extremely low specificspeed impeller J Fluid Machinery，2001，29(7):20 22 6 石广丰，林峰，邢云飞，等 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supply;Fluent simulation;vertical multistage centrifugal pump131第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月刘光:新型二次供水设备中离心泵的转矩仿真分析