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上海長申泵業制造有限公司
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葉輪口環間隙對離心泵性能的影響
2020-8-21 閱讀(897)
通過數值模擬和試驗,研究了葉輪口環間隙對離心泵性能的影響。為準確計算離心泵的揚程和效率,設計了包含前后泵腔在內的全流場模型。基于RNG k-ε湍流模型,建立了3種口環方案,重點從湍動能、渦量和徑向力角度,分析了口環間隙對離心泵全流場水力效率和機械效率的影響。結果表明:當口環間隙值減小時,離心泵的揚程和總效率均增大。究其原因有:葉輪內能量耗散降低;葉輪進口處二次流對主流的沖擊作用減弱;離心泵的偏心渦動減弱;前腔泄漏量減少。通過對3種口環方案的綜合比較,確定葉輪口環采用方案I,效率高而且滿足工程實際應用的需要。
在離心泵多工況研究方面，Neumann從泵內流動損失分析出發。，建立了非設計工況下水力設計參數與通流部件幾何參數之間的關系。在帶分流葉片離心泵研究方面，Goto等采用全三維數值模擬的方法對泵葉輪中的分流葉片進行了優化設計，提高了泵的吸入性能。何有世等對偏置的分流葉片離心泵葉輪內三維不可壓湍流場進行數值模擬。在無過載設計方面，國內黎義斌。討論過無過載超低比轉速離心泵的改型設計。袁壽其等創建了無過載離心泵的理論和設計方法。，他指出減小葉片出口安放角可以控制軸功率，其目的是減小兩相鄰葉片間流道在出口與進口的面積比[6]，緩解葉輪橫截面上的漩渦影響，但是這種方法在大流量下易導致過多摩擦損失和堵塞。本文針對低比轉速離心泵效率低和易過載等問題，采用無過載設計并添置分流葉片的設計方法，通過改變葉輪幾何參數，設計出3種優化模型。利用ANSYS-CFX對各模型進行數值模擬，分析了外特性及內部流動情況。后通過試驗驗證，選取優設計方案，為設計更佳性能的低比轉速離心泵提供參考。
2優化設計。1設計參數原型泵配套電機轉速n=2900r/min，大軸功率PR為15kW，因此設計時必須防止電機過載。原型泵的設計流量為Q=24m3/h，設計揚程為H=77m，效率要求高于48。3%。2葉輪優化設計文獻。詳細闡述了加大流量設計法和無過載設計法。加大流量設計法可以通過增加葉片出口寬度b2或葉片出口安放角2等實現，但過大的出口安放角2會降低對流動的控制，而且易使配套電機過載[7]。雖然增加葉片數能使流動更加規律，但隨著葉片數增多，葉輪進口堵塞和流道的摩擦相應加大，從而降低泵的效率。文獻。指出通過添加分流葉片可以減少過多葉片葉輪進口處的堵塞，尤其可以減小大流量下的水力損失，但分流葉片導致流場變得更加復雜，易使內部流動不穩定。
本文在綜合分析基礎上，設計3種葉輪進行對比，葉輪1和葉輪2采用無過載設計法結合分流葉片設計法，葉輪3采用無過載設計法。葉輪的主要幾何參數見表1。表1葉輪優化方案葉輪D1(mm)D2(mm)ZsZ2s()2()()b2(mm)葉輪14420207葉輪2702593320201807葉輪306108。3三維造型利用Pro/E對各結構進行三維造型，計算域建立在泵幾何模型上，整個流場包括4個部分，即:進口、葉輪、前口環、帶泵腔和出口的蝸殼。為了簡化計算，不考慮葉輪平衡孔和后口環。為了減輕進、出口存在的回流，適當延長進口和出口水體部分[8]，計算域的水體如圖1所示。3種葉輪的流場區域如圖2所示。圖1計算域結構(a)葉輪1(b)葉輪2(c)葉輪3圖23種葉輪的水體圖3數值計算。1網格劃分利用ICEMCFD1。
隨著對高速泵運行穩定性的要求越來越高，高速離心泵流動誘導振動問題引起越來越多研究人員的注意。流體誘發的振動主要由結構不對稱產生的流體不平衡、動靜部件間的相對運動、旋轉渦帶產生的徑向不平衡及空化產生的流體壓力脈動所致。國內外學者對旋轉機械的流動誘導振動問題也進行了相關的研究:Gwo等。采用有限元方法計算了不同葉片組下的渦輪旋轉振動特性；Heijkoop等。借助ANSYS軟件計算了混流式水輪機在空氣中的靜、動態特性；王松嶺等。采用CFX軟件進行流場計算、ANSYS進行結構計算，并以MFX-ANSYS/CFX為數據耦合平臺，應用弱耦合方法對風機葉輪強度進行研究；何濤等[6]建立了一種適用于離心泵等葉輪機械流動誘發振動工程計算的數值模型，分析了泵流場、振動激勵源和振動響應等特性。帶誘導輪高速離心泵由于設計時誘導輪的葉緣直徑已定，如果振動強烈將引發轉子與靜子的接觸，產生故障。本文基于SSTk-湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，對離心泵內部流場進行了三維非定常計算，并借助計算機輔助工程(CAE)多物理場協同仿真平臺ANSYSWorkbench1。
0，采用單向流固耦合方法對葉輪耦合系統進行仿真計算，分析帶誘導輪高速離心泵的流動誘導振動特性。1求解理論。1流場計算理論控制方程為描述泵內部流場瞬時流動狀態的Navier-Stokes方程[7]:t+xi(ui)=0。(ui)t+(uiuj)xj=-pxi+eijxj。式中:eij=uixj+ujxi-23ijukx()k為粘性應力張量。采用合適的湍流模型，設置合理的邊界條件對方程進行求解便可以得到泵內部流場的流動情況及任意位置處的物理值。2流動誘導振動的求解高速離心泵在運轉過程中流場和固體場是統一的，也就是會產生流固耦合作用，運用流固耦合技術將流場和結構場同時求解可以得到結構的振動特性，也即流動誘導振動的解。流固耦合問題的求解可以分為強耦合求解和弱耦合求解兩種。強耦合方法指根據統一的耦合方程，在一個時間步內對流體域和固體域中所有的未知量同時求解。弱耦合求解又稱單向耦合求解，是種分區迭代求解方法，指耦合交界面處的數據傳遞時單向的。
對于離心泵內流場，鑄造葉輪在流場中的變形微小，固體變形對流場的影響幾乎可以忽略，故本文采用單向流固耦合的方法進行求解，計算流程如圖1所示。圖1計算流程圖Fig。1Flowdiagramofcalculation2流場計算。1計算模型高速泵性能設計參數如下:流量Q=7。5m3/h，揚程H=75m，轉速n=7600r/min，軸功率P=4kW，比轉速ns=45，軸頻為126。6Hz。由于低比轉速泵相鄰流道間的擴散比較嚴重，為了更好的滿足性能的需要本文在速度系數法設計的基礎上采用添加分流葉片的方法。為了提高泵的抗汽蝕能力，在葉輪進口添置誘導輪。
隨著對高速泵運行穩定性的要求越來越高，高速離心泵流動誘導振動問題引起越來越多研究人員的注意。流體誘發的振動主要由結構不對稱產生的流體不平衡、動靜部件間的相對運動、旋轉渦帶產生的徑向不平衡及空化產生的流體壓力脈動所致。國內外學者對旋轉機械的流動誘導振動問題也進行了相關的研究:Gwo等。采用有限元方法計算了不同葉片組下的渦輪旋轉振動特性；Heijkoop等。借助ANSYS軟件計算了混流式水輪機在空氣中的靜、動態特性；王松嶺等。采用CFX軟件進行流場計算、ANSYS進行結構計算，并以MFX-ANSYS/CFX為數據耦合平臺，應用弱耦合方法對風機葉輪強度進行研究；何濤等[6]建立了一種適用于離心泵等葉輪機械流動誘發振動工程計算的數值模型，分析了泵流場、振動激勵源和振動響應等特性。帶誘導輪高速離心泵由于設計時誘導輪的葉緣直徑已定，如果振動強烈將引發轉子與靜子的接觸，產生故障。
本文基于SSTk-湍流模型封閉三維Navier-Stokes方程，對離心泵內部流場進行了三維非定常計算，并借助計算機輔助工程(CAE)多物理場協同仿真平臺ANSYSWorkbench1。0，采用單向流固耦合方法對葉輪耦合系統進行仿真計算，分析帶誘導輪高速離心泵的流動誘導振動特性。1求解理論。1流場計算理論控制方程為描述泵內部流場瞬時流動狀態的Navier-Stokes方程[7]:t+xi(ui)=0。
