葉輪和蝸殼匹配關(guān)系對(duì)離心泵性能影響的研究

1、2008年第36卷第3期#專題研究!石油機(jī)械CHINAPETROLEUMMACHINERY9葉輪和蝸殼匹配關(guān)系對(duì)離心泵性能影響的研究鄧文劍楚武利(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院)摘要運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)研究不同蝸殼面積對(duì)泵流場(chǎng)的影響,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域,數(shù)值計(jì)算使用NUMECA軟件包的Euranus求解器,采用Jameson有限體湍流模型對(duì)三維雷諾時(shí)均N2積差分格式,并結(jié)合2S方程進(jìn)行求解。模擬結(jié)果認(rèn)為,泵的面積比越大,泵的高效區(qū)范圍越狹窄,性能曲線越陡峭;揚(yáng)程曲線隨面積比的減小向右上方移動(dòng)。在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)葉輪和蝸殼的最佳匹配,可使離心泵發(fā)揮最佳的工作性能。關(guān)鍵詞離心泵葉輪

2、蝸殼面積比:流量Q=18145m/h,揚(yáng)程H=615m,轉(zhuǎn)速n=1250r/min,比轉(zhuǎn)速ns=76。葉輪主要幾何參數(shù)為:葉片進(jìn)口直徑D1=75mm,葉片出口直徑D2=180mm,葉片進(jìn)口高度b1=12mm,葉片出口高度b2=9mm,轉(zhuǎn)軸直徑dh=40mm,葉輪進(jìn)口直徑D0=65mm,進(jìn)口葉片角1=25°,出口葉片角,葉片數(shù)Z=5。葉輪結(jié)2=33°構(gòu)見圖1,葉片為單圓弧圓柱形。蝸殼基圓直徑D3=19414mm,蝸室進(jìn)口寬度b3=28mm,蝸殼采用矩形斷面,外型線為對(duì)數(shù)螺線。文獻(xiàn)3給出了該泵詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為描述方便,各葉輪通道編號(hào)如圖2所示。3引,泵的性能由它們共同決定。但

3、長期以來,人們往往將重點(diǎn)集中在對(duì)葉輪的研究上,很大程度上忽略了對(duì)泵體以及葉輪和泵體間相互匹配關(guān)系的研究。這就造成單葉輪運(yùn)行性能往往非常優(yōu)異,一旦和泵體配合起來工作,各項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)大幅度下降,如效率值的降幅甚至達(dá)到30%以上,并且伴隨有振動(dòng)、噪聲等非穩(wěn)定工況。文獻(xiàn)1指出,整級(jí)泵中水力損失的60%是由于蝸殼的影響;文獻(xiàn)2指出,整級(jí)泵中水力損失的20%是由于蝸殼的影響。這個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)量關(guān)系因具體情況的不同而不同,但是蝸殼對(duì)泵性能有相當(dāng)大的影響的確是客觀事實(shí)。因此,要大幅度提高泵的各項(xiàng)性能指標(biāo),必須解決葉輪和泵體的相互匹配問題。筆者旨在運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)研究不同蝸殼面積對(duì)泵流場(chǎng)的影響,得到泵

4、內(nèi)部流場(chǎng)和性能的變化規(guī)律,為面積比原理的深入研究做一些基礎(chǔ)工作。數(shù)值模擬11泵的幾何參數(shù)與計(jì)算網(wǎng)格筆者采用H1H1Anderson面積比原理中的定義,所謂面積比即為葉輪出口面積與蝸殼喉部面積值之比。筆者數(shù)值計(jì)算所用離心泵的面積比為3。泵原10石油機(jī)械2008年第36卷第3期在此基礎(chǔ)上,筆者針對(duì)該葉輪又設(shè)計(jì)了2個(gè)蝸殼(面積比分別為1和5),蝸殼基圓直徑和蝸室進(jìn)口寬度都與初始蝸殼相同,蝸殼也同樣采用矩形斷面、對(duì)數(shù)螺線,所不同的是外型線半徑,如圖3所示。無預(yù)旋,總壓為1011325kPa,總溫為300K(此處總溫、總壓值為假定周圍大氣流速為0時(shí)的測(cè)量值),出口給定流量和流場(chǎng)初始?jí)毫?。模擬結(jié)果分析11

5、模擬結(jié)果驗(yàn)證首先對(duì)筆者所用模擬方法的有效性和正確性進(jìn)行驗(yàn)證,將原型泵(面積比為3)的模擬結(jié)果和試驗(yàn)值做對(duì)比,結(jié)果見表1。表1設(shè)計(jì)工況下泵水力性能試驗(yàn)值與模擬結(jié)果對(duì)比圖3面積比分別為1、3、5的蝸殼項(xiàng)目試驗(yàn)值模擬值流量/(kgs-1)5112551132揚(yáng)程/m61206113效率/%6510701121數(shù)值方法和定解條件筆者采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域,共用1716585個(gè)六面體網(wǎng)格單元。數(shù)值計(jì)算使用NUMECA軟件包Euranus求解器,采用Jameson有限體積差分格式,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)24雷諾時(shí)均N2S方程進(jìn)行求解(1)i0ij+UK=-+9xi9x9xj9t99(2),(模擬的效率511

6、%,原因是在模擬計(jì)算中沒有考慮因泄漏而引起的容積損失)。21性能對(duì)比分析圖4給出了3種不同蝸殼下的效率對(duì)比圖。從圖可以看出,最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在面積比為3的泵上,高效區(qū)最寬的是面積比為1的泵。從圖4可以歸納出:面積比小(即蝸殼喉部面積大),泵的高效區(qū)范圍比較寬,性能曲線變化比較平緩;面積比大(即蝸殼喉部面積小),泵的高效區(qū)范圍窄,性能曲線陡峭。從流量范圍來看,小面積比泵的高效區(qū)流量要大于大面積比泵高效區(qū)的流量。這與文獻(xiàn)6-7的結(jié)論是一致的。式中Rij雷諾應(yīng)力張量,Rij=-uiuj=tSij-t2kij-ij39xK3iSij=+29xj9模型使控制方程封閉采用標(biāo)準(zhǔn)2j=j+i+Dt9xi9xi9

7、9xit+Gb-YM+Sk-+9(3)(4)(5)j=C1j+C3Gb+Dt9xi9xi92t(6)-C2+S+9xi9湍流粘度t的表達(dá)式為t=(7)Ck/以上各式中k、C1、C2、C3、C等是已確定的模型常量。計(jì)算中采用顯式四階Runge2Kutta時(shí)間推進(jìn)法,為提高計(jì)算效率,采用多重網(wǎng)格法,局部時(shí)間步長和殘差光順5圖43種蝸殼情況下泵效率性能曲線圖5給出了3種不同蝸殼下的揚(yáng)程對(duì)比圖,可以看出,揚(yáng)程曲線隨面積比的減小(即蝸殼喉部面積的增大)向右上方移動(dòng);在小流量區(qū),揚(yáng)程隨面積比的減小有所下降,但在大流量區(qū),揚(yáng)程隨面積比的增大而增加比較明顯。在這3個(gè)不同蝸殼泵中,揚(yáng)程曲線都隨流量的增加而單調(diào)下

8、降,但小面積比泵的揚(yáng)程曲線變化相對(duì)平緩。這個(gè)現(xiàn)象與文等加速收斂措施。進(jìn)口邊界條件取2008年第36卷第3期鄧文劍等:葉輪和蝸殼匹配關(guān)系對(duì)離心泵性能影響的研究11獻(xiàn)6-7和H1H1Anderson的面積比原理吻合。出現(xiàn)了幾處輕微的高速區(qū),在出口擴(kuò)散段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的速度不均勻現(xiàn)象;在面積比為5的泵蝸殼內(nèi),高速區(qū)的范圍和強(qiáng)度增大,出口擴(kuò)散段內(nèi)的不均勻現(xiàn)象更加明顯,所以它的流場(chǎng)分布要比面積比為1和3的泵蝸殼差。在面積比為1的泵葉輪內(nèi),每個(gè)通道葉片的壓力面上有一小范圍的低速區(qū),吸力面上有一薄層高速區(qū),整個(gè)通道內(nèi)沒有出現(xiàn)逆流和旋渦現(xiàn)象;在面積比為3的泵葉輪內(nèi),各葉片壓力面上的低速區(qū)范圍擴(kuò)大,速度較低,在第

9、3通道內(nèi)出現(xiàn)了明顯的逆流和旋渦;在面積比為5的泵葉輪內(nèi),各個(gè)通道內(nèi)都出現(xiàn)了逆流和旋渦現(xiàn)象,其中第1和第3通道基本上被低速區(qū)所占領(lǐng),在這2個(gè)通道內(nèi)的葉片壓力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了逆流和旋渦,1對(duì)旋向相:同樣在各,1的泵內(nèi)流場(chǎng)最優(yōu),面積比為5的最這個(gè)現(xiàn)象很好地解釋了圖4中效率性能曲線對(duì)比圖。離心泵葉輪通道出口處的尾跡射流現(xiàn)象也是水9力損失的一個(gè)重要原因,圖8給出的是在這3種蝸殼情況下,各自的葉輪出口處尾跡射流情況,從圖可以看出,面積比為5的泵尾跡射流現(xiàn)象最明顯,葉輪出口處速度分布最不均勻,所產(chǎn)生的水力損失最大;面積比為1的泵的尾跡射流現(xiàn)象最不明顯,即出口處速度分布最均勻,水力損失最小;面積比為3的泵居中。8圖

10、53種蝸殼情況下泵揚(yáng)程性能曲線圖6為3種不同蝸殼下的泵軸功率特性對(duì)比圖。面積比為3的泵在最高效率點(diǎn)的右側(cè)出現(xiàn)了軸功率最大值,其他2種情況下泵軸功率都隨流量的增加而單調(diào)增大,其中面積比為5的泵在大流量區(qū)其軸功率增加速度較快,因此它們?cè)诠こ虘?yīng)用中存在過載現(xiàn)象。圖63種蝸殼情況下泵軸功率性能曲線31流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析比較泵的性能特征與其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是密切關(guān)聯(lián)的。筆者所分析的3種不同蝸殼結(jié)構(gòu)泵性能的變化,主要是由于其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)各不相同所致,因此要了解其性能變化的根本原因,為泵設(shè)計(jì)理論的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步提供有益的指導(dǎo),就必須進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析。圖7是這3個(gè)泵在各自的最優(yōu)效率工況下,葉片展向中間截

11、面位置的相對(duì)速度矢量圖。圖8泵葉輪流道出口處速度矢量圖結(jié)論(1)泵的面積比越大(即蝸殼喉部面積小),圖7泵葉片展向中間截面速度矢量圖泵的高效區(qū)范圍越狹窄,性能曲線越陡峭。(2)揚(yáng)程曲線隨面積比的減小(即蝸殼喉部面積的增大)向右上方移動(dòng),在小流量區(qū),揚(yáng)程隨面積比的減小有所下降,但在大流量區(qū),揚(yáng)程隨面積比的增大而增加的比較明顯。(3)面積比為3的泵在最高效率點(diǎn)的右側(cè)出現(xiàn)了軸功率最大值,其他2種情況下軸功率都是隨從上面的相對(duì)速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn),在3種蝸殼情況下,其蝸殼內(nèi)的流場(chǎng)相對(duì)葉輪內(nèi)的流場(chǎng)來說,分布比較均勻、流暢。其中面積比為1的泵蝸殼內(nèi)的流場(chǎng)分布最為均勻;面積比為3的泵蝸殼內(nèi)12石油機(jī)械7112

12、008年第36卷第3期流量的增加而單調(diào)增大,其中面積比為5的泵在大流量區(qū)其軸功率增加速度更快。(4)在面積比為5的泵蝸殼內(nèi),高速區(qū)的范圍和強(qiáng)度增大,出口擴(kuò)散段內(nèi)的不均勻現(xiàn)象更加明顯,所以它的流場(chǎng)分布要比面積比為1和3的泵蝸殼差。(5)同樣在各自的最高效率工況點(diǎn),3個(gè)泵各自葉輪內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)劣情況大不相同,面積比為1的泵葉輪內(nèi)流場(chǎng)最優(yōu),面積比為5的最差。(6)面積比為5的泵尾跡射流現(xiàn)象最明顯,葉輪出口處速度分布最不均勻,所產(chǎn)生的水力損失最大;面積比為1的泵尾跡射流現(xiàn)象最不明顯,即出口處速度分布最均勻,水力損失最小。綜上所述可以看出,葉輪和蝸殼的匹配確實(shí)能對(duì)離心泵的工作性能產(chǎn)生非常大的影響,因此在設(shè)計(jì)中

13、實(shí)現(xiàn)葉輪和蝸殼的最佳匹配,可以使離心泵發(fā)揮出最佳的工作性能。參考文1StepanoffAJflowpumps-Theorydesignandapp2nded1NY:Wiley,1975:283-30212EschBPM,KruytNP1Hydraulicperformanceofamixed2flowpump:UnsteadyInviscidcomputationsandlossmodels.TransactionsofASME,2001(6):62-3陳松山,周正富,葛強(qiáng),等1低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)的測(cè)量1揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,9(1):74-7814康順,陳黨慧1用CF

14、D研究高壓比離心葉輪內(nèi)的二次流動(dòng)1航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2005,20(6):1054-106015胡運(yùn)聰,周新海1二維振蕩葉柵非定常粘性流動(dòng)數(shù)值模擬1應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2003,20(3):79-8116金樹德,陳次昌1現(xiàn)代水泵設(shè)計(jì)方法1北京:兵器工業(yè)出版社,1993:37-11217袁壽其,曹武陵1用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)無過載離心泵1水泵技術(shù),1991(3):11-1618楊小林,嚴(yán)敬,鄧萬全,等1離心泵葉輪軸向旋渦流的PIV測(cè)量1石油機(jī)械2005,33(7):1-3191(2):47-491第一作者簡(jiǎn)介:鄧文劍,生于1980年,2004年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)飛行器動(dòng)力工程系,現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)在讀博士生,主要

15、研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)。地址:(710072)陜西省西安市。電話:E-mail:dengwenjian219sina1com。(029)88486082。收稿日期:2007-09-15(本文編輯南麗華)國內(nèi)首臺(tái)4000m車橇組合鉆機(jī)在南陽二機(jī)集團(tuán)研制成功2007年由南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司研制的2臺(tái)“4000m車橇組合鉆機(jī)”順利完成性能綜合試驗(yàn),通過了專家組的驗(yàn)收,即將發(fā)往普光氣田,這是成功研制7000m橇裝鉆機(jī)后,為普光氣田開發(fā)生產(chǎn)出的第2批新產(chǎn)品。普光地處川東北的宣漢縣,地理環(huán)境特別復(fù)雜,普光氣田投入開發(fā)不到1個(gè)月,中原、勝利等油田就委托南陽二機(jī)集團(tuán),針對(duì)普光氣田的

16、特殊地理環(huán)境和施工作業(yè)條件,研制適宜的特種鉆井裝備。南陽二機(jī)集團(tuán)于2006年5月成立了普光氣田特種鉆井裝備項(xiàng)目研發(fā)小組,6月“4000m車橇組合鉆機(jī)”項(xiàng)目方案通過評(píng)審并簽署設(shè)備供貨合同。從此,“4000m車橇組合鉆機(jī)項(xiàng)目”在南陽二機(jī)集團(tuán)正式啟動(dòng)。常規(guī)的車裝鉆機(jī)技術(shù)不適合普光地區(qū)的交通和施工現(xiàn)狀,為此,南陽二機(jī)集團(tuán)技術(shù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)小組從接到任務(wù)開始,就通過各種渠道搜集相關(guān)信息,認(rèn)真分析可能遇到的各類問題,反復(fù)尋求解決方案,終于找到了既能充分發(fā)揮南陽二機(jī)生產(chǎn)車裝鉆機(jī)成熟的技術(shù)水平,又能真正滿足和符合用戶的使用需求,適應(yīng)川東北地區(qū)特殊環(huán)境的鉆機(jī)設(shè)計(jì)方案?！?000m車橇組合鉆機(jī)”項(xiàng)目方案得到了西南局、中原和勝利等油田相關(guān)鉆采專家的肯定。同時(shí),南陽二機(jī)集團(tuán)為確保項(xiàng)目的生產(chǎn)運(yùn)行,專門設(shè)置了“普光項(xiàng)目綠色通道”,從配套件的購置到生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)先運(yùn)行,公司上下各部門全力配合,共同協(xié)作,第1批鉆機(jī)的2臺(tái)樣機(jī)終于在2007年整體組裝完成,順利進(jìn)入總裝調(diào)試階段。新研制的4000m車橇組合鉆機(jī),由車載模塊和鉆臺(tái)模塊2部分聯(lián)體工作,絞車、轉(zhuǎn)