多級(jí)離心泵級(jí)級(jí)長(zhǎng)葉片復(fù)合葉輪流動(dòng)特性分析

多級(jí)離心泵級(jí)級(jí)長(zhǎng)葉片復(fù)合葉輪流動(dòng)特性分析

多式聯(lián)運(yùn)泵是一種常見的高流量泵，葉片是多式聯(lián)運(yùn)泵的重要過流部件。葉片的設(shè)計(jì)在整個(gè)泵的性能和優(yōu)點(diǎn)方面發(fā)揮著重要作用。而多級(jí)離心泵是將具有同樣功能的兩個(gè)以上的泵集合在一起,第一級(jí)的介質(zhì)泄壓口與第二級(jí)的進(jìn)口相通,第二級(jí)的介質(zhì)泄壓口與第三級(jí)的進(jìn)口相通等,依次重復(fù),而首級(jí)葉輪作為流體先進(jìn)入通道,對(duì)整個(gè)泵的性能影響巨大,因此是多級(jí)泵葉輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,利用CFD對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬已成為泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方法[3~8]。鑒此,本文基于CFD技術(shù),對(duì)首級(jí)葉輪的兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬,并探索其性能的優(yōu)劣。1幾何模型和網(wǎng)格的劃分1.1兩種設(shè)計(jì)方案比較多級(jí)泵首級(jí)葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù):流量為800m3/h,揚(yáng)程為105m,轉(zhuǎn)速為1480r/min,比轉(zhuǎn)速為78,為低比轉(zhuǎn)速。綜合考慮設(shè)計(jì)方案中泵揚(yáng)程、效率及抗汽蝕性能等因素,在不計(jì)葉片排擠系數(shù)影響的條件下對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比較。首級(jí)葉輪的軸面截線圖和木模圖見圖1。通過已給參數(shù)設(shè)計(jì)出三長(zhǎng)三短(方案1)及四長(zhǎng)四短(方案2)葉輪,兩種葉輪葉片數(shù)不同,其他參數(shù)均相同。運(yùn)用三維繪圖軟件PROE對(duì)兩種葉輪進(jìn)行建模,流道結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。1.2網(wǎng)格無關(guān)解驗(yàn)證運(yùn)用Gambit軟件對(duì)葉輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在葉片進(jìn)口部位手動(dòng)網(wǎng)格加密,先利用四邊形網(wǎng)格對(duì)葉片進(jìn)口處進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,再采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格T-Grid劃分整個(gè)葉輪,劃分過程中采用不同尺寸進(jìn)行劃分,并在綜合考慮精確性及計(jì)算時(shí)間下選取最佳劃分方法,見表1。三長(zhǎng)三短的各種網(wǎng)格劃分取網(wǎng)格尺寸Size為7.5。通過網(wǎng)格無關(guān)解驗(yàn)證可得,劃分網(wǎng)格滿足計(jì)算精度。四長(zhǎng)四短網(wǎng)格尺寸Size取5,同理可得網(wǎng)絡(luò)劃分滿足計(jì)算精度。1.3出口類型(1)邊界類型。(1)進(jìn)口類型為velocityinlet,命名為inlet;(2)出口類型為outflow,命名為outlet;(3)短葉片的面類型為wall,命名為short-blade;(4)長(zhǎng)葉片的面類型為wall,命名為long-blade。(2)體類型。每個(gè)葉輪的volume只有一個(gè),類型為fluid,命名為impeller。2密度對(duì)微元體上的壓力和溫度分布由文獻(xiàn)可知,質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程分別為:式中,ρ為密度;t為時(shí)間;u為速度矢量;F為作用在微元體上的體積力;P為流體微元體上的壓力(靜壓);T為溫度;k為傳熱系數(shù);cp為比熱容;S為粘性耗散。3運(yùn)動(dòng)粘度ms本數(shù)值模擬在額定工況下以清水為介質(zhì),介質(zhì)密度為998.2kg/m3,運(yùn)動(dòng)粘度0.001003kg/(m·s)。在保證兩方案運(yùn)行工況相同的前提下分別分析了靜壓分布、相對(duì)速度矢量分布,并比較了兩種設(shè)計(jì)方案下泵的性能。3.1靜壓力分布不均勻,對(duì)比圖3為兩種設(shè)計(jì)下的首級(jí)葉輪靜壓力分布,圖4為總壓分布。由圖可看出:(1)相同半徑時(shí)葉輪工作面壓力大于背面壓力,靜壓和總壓在葉片進(jìn)口附近最小,且隨半徑的增加壓力呈一定梯度的向外增加。(2)方案1靜壓力分布不均勻,尤其在葉片進(jìn)口處壓力變化梯度不明顯。方案2靜壓力梯度要均勻得多,且出口靜壓力達(dá)到0.6MPa,比方案1的10.5MPa有很大提升,這將有助于提高泵的揚(yáng)程。(3)方案2總壓力分布的低壓區(qū)范圍較方案1小,最低壓力也高于方案1,所以方案2減小了葉片與介質(zhì)互相作用時(shí)汽蝕現(xiàn)象,提高了葉輪與輸送介質(zhì)之間的能量交換效果,從而提高了泵在輸送介質(zhì)時(shí)的效率,并確保了設(shè)備的安全運(yùn)行。上述分析說明葉片數(shù)對(duì)泵的揚(yáng)程、汽蝕性能、效率均有一定的影響,在考慮葉片排擠系數(shù)和流道摩擦的前提下,增加葉片數(shù)可提高泵的揚(yáng)程和減少汽蝕的產(chǎn)生,使泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.2工作面在相對(duì)速度上的影響圖5為兩種設(shè)計(jì)方案在額定工況下的相對(duì)速度分布。葉輪內(nèi)介質(zhì)由于受葉片的作用,介質(zhì)從進(jìn)口到出口隨半徑的增加相對(duì)速度加大,在葉輪出口處達(dá)到最大。在葉輪進(jìn)口處,工作面與背面相對(duì)速度基本相同,而隨半徑增加,由于受軸向漩渦的影響,工作面相對(duì)速度大于背面相對(duì)速度。由圖5可看出:(1)方案1因采用了復(fù)合式葉輪,回流、脫流現(xiàn)象得到了有效抑制,但內(nèi)部流場(chǎng)不夠均勻,甚至出現(xiàn)紊亂趨勢(shì),在小流量下這種趨勢(shì)將轉(zhuǎn)變?yōu)榛亓鳜F(xiàn)象,從而影響泵性能。(2)方案2內(nèi)部流場(chǎng)有相當(dāng)大改善,整個(gè)流場(chǎng)相對(duì)速度過渡平緩,且最大相對(duì)速度值達(dá)到3.73m/s,較方案1中最大相對(duì)速度值3.06m/s提升效果明顯,達(dá)到了優(yōu)化目的。3.3種設(shè)計(jì)方案比較圖6為葉輪的湍動(dòng)能分布。由圖可看出:(1)兩種設(shè)計(jì)方案葉輪內(nèi)部的湍動(dòng)能總體上分布均勻,但在葉片進(jìn)口處存在大梯度的湍動(dòng)能分布區(qū)域,分布極不規(guī)律,這將導(dǎo)致極大的能量損失。(2)比較兩種設(shè)計(jì)方案,方案1的大梯度湍動(dòng)能分布區(qū)域方案2的區(qū)域明顯小,這與增加葉片的排擠和表面摩擦有關(guān)。(3)方案1最大湍動(dòng)能達(dá)到5.24J,比方案2的5.15J大,且方案1的大梯度湍動(dòng)能區(qū)延伸到短葉片背面的中部。雖方案2大梯度湍動(dòng)能區(qū)域大于方案1,但綜合前面壓力與速度的分析和最大湍動(dòng)能數(shù)值、分布情況,方案2明顯改善了葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的分布。4葉輪揚(yáng)程和水力效率CFD中可利用葉輪進(jìn)口總壓Pin與出口總壓Pout的水頭差計(jì)算揚(yáng)程:式中,Δh為泵進(jìn)出口到基準(zhǔn)面的高度。根據(jù)Fluent中Report-Forces菜單中Moments得到的扭矩T值可求得首級(jí)葉輪效率:根據(jù)式(4)、(5)可計(jì)算葉輪不同工況點(diǎn)的揚(yáng)程、水力效率,并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,繪出曲線分別見圖7、8。由圖可看出:(1)方案2在不同流量點(diǎn)的揚(yáng)程均大于方案1的揚(yáng)程,且曲線下降平緩,這與壓力分析相符。(2)在小流量時(shí)兩種方案的效率差異并不明顯,隨著流量的增加到達(dá)額定工況后方案1效率開始呈下降趨勢(shì),形成泵流量效率性能曲線特有形狀,而方案2在流量到達(dá)額定工況后效率依然增加,達(dá)到120%流量時(shí)才開始下降,從而提高了葉輪的高效工作區(qū)范圍,改善了泵的性能。5葉輪及葉片數(shù)a.在流體動(dòng)力學(xué)Fluent軟件的基礎(chǔ)上,對(duì)低比轉(zhuǎn)速多級(jí)離心泵首級(jí)葉輪兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬,四長(zhǎng)四短葉輪可改善葉輪內(nèi)部流場(chǎng)、提高整泵效率,比三長(zhǎng)