基于CFD技術(shù)的離心泵優(yōu)化設(shè)計

摘 要：文章對目前泵設(shè)計方法如模型換算法、速度系數(shù)法和面積比原理進行詳細介紹，并應(yīng)用相似換算法和速度系數(shù)法對參數(shù)為Q=1400m3/h，H=15m，n=990r/min的離心泵進行設(shè)計，通過CFD數(shù)值模擬，獲得了內(nèi)部流場較好的泵。

關(guān)鍵詞：離心泵；葉輪；設(shè)計

1 葉輪設(shè)計方法

在葉片式流體機械中，葉輪是葉片式流體機械中直接進行能量轉(zhuǎn)換的部件，是葉片式流體機械最關(guān)鍵的部件。由于泵內(nèi)部流動非常復(fù)雜，對其流動規(guī)律的認識還不夠全面，因此泵的水力設(shè)計還需建立在半理論、半經(jīng)驗和試驗驗證的基礎(chǔ)上進行。目前泵設(shè)計方法有幾種形式，一般分為模型換算法、速度系數(shù)法、面積比原理[1]。

1.1 模型換算法

鄒滋祥[2]系統(tǒng)的敘述了相似理論的具體內(nèi)容，包括幾何相似、物理現(xiàn)象相似以及兩個體系之間相似的必要和充分條件，同時通過具體的例子來闡述葉輪機械模型設(shè)計過程中的具體應(yīng)用方法。陳鳳軍[3]針對集中空調(diào)系統(tǒng)試運行中出現(xiàn)的循環(huán)泵電機發(fā)熱嚴(yán)重、能耗高、實際效果差等問題，提出了運用相似原理、按功率匹配進行葉輪切割的技術(shù)改造方案。經(jīng)實踐證明，實現(xiàn)了優(yōu)化運行，滿足了設(shè)計要求，提高了經(jīng)濟效益。

應(yīng)用模型換算法的首要前提條件，必須具有一個優(yōu)秀的水力模型庫，這樣才會使得水力設(shè)計方便、可靠。

1.2 速度系數(shù)法

Stepanoff[4]早在1984年就提出利用比速規(guī)律進行水力設(shè)計的設(shè)計系數(shù)法，在統(tǒng)計大量實測資料的基礎(chǔ)上提出了著名的Stepanoff速度圖。國內(nèi)于80年代初曾經(jīng)對部分優(yōu)秀模型進行統(tǒng)計。1985年陳次昌[5]應(yīng)用多元逐步回歸分析法對離心泵葉輪主要幾何尺寸進行了總結(jié)與統(tǒng)計，得出了一些具有參考價值的計算公式。90年代初，張俊達[6]和何希杰[7]等對近年來的優(yōu)秀模型進行了重新統(tǒng)計，提出了一些系數(shù)和規(guī)律。白小榜[8]等對6個混流泵優(yōu)秀水力模型統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，對葉輪和蝸室的主要幾何參數(shù)：葉輪進口速度U0、葉輪外徑D2（D2a，D2e）、出口寬度b2及蝸室?guī)缀螀?shù)計算公式中的速度系數(shù)進行了公式擬合，給出了混流泵的水力參數(shù)計算方法。同時應(yīng)用設(shè)計實例驗證設(shè)計方法的準(zhǔn)確性。沙毅[9]等利用葉片泵能量方程和相似理論，推導(dǎo)出離心泵葉輪外徑D2，出口葉片寬度b2和進口直徑D0的速度系數(shù)法水力計算公式。在IS系列泵參數(shù)回歸統(tǒng)計基礎(chǔ)上，利用最小二乘法擬合速度系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系方程式。并用ns=87和ns=118兩泵型的設(shè)計實例驗證了設(shè)計計算方法的準(zhǔn)確性和先進性。

模型換算法和速度系數(shù)法具有可靠、簡便和實用的優(yōu)點，但都受現(xiàn)有模型和系數(shù)的局限。

1.3 面積比原理

英國著名泵專家Anderson[10]于1938年首次提出了離心泵的面積比原理。他指出，葉輪出口過流面積與泵體喉部面積之比是泵揚程、流量和軸功率等特性的主要決定因素。

Worster R C[11]于1963年首次用數(shù)學(xué)方法從理論上證明了Anderson所提出的面積比原理的科學(xué)性。80年代初，Anderson[12]對15000臺泵的試驗資料進行了分析，結(jié)果用面積比原理預(yù)測的泵性能與實際的泵性能相當(dāng)吻合。從此，面積比原理逐步成為有效水力設(shè)計方法之一。

國內(nèi)對面積比原理研究始于上世紀(jì)80年代。郭自杰[13]在Worster R C證明的面積比原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出比轉(zhuǎn)數(shù)與面積比的近似表達式，用該式直接計算和分析比轉(zhuǎn)數(shù)與面積比的相互關(guān)系。計算方法簡單，同時也適用于計算不遵循Anderson面積比與比轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系圖的低比轉(zhuǎn)數(shù)泵。張俊達[14]對國內(nèi)166種泵的水力模型面積比系數(shù)進行了統(tǒng)計和回歸，統(tǒng)計工作涉及雙吸泵、節(jié)段式多級泵、混流泵、單級單吸離心泵，并繪制出了面積比系數(shù)與泵比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系曲線。袁壽其等[15]對面積比進行了理論分析和試驗研究，用面積比繪制的揚程系數(shù)和流量系數(shù)的形式來修正標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計數(shù)據(jù)，從整體上把葉輪和泵體兩大水力部件聯(lián)系在一起，具有其科學(xué)性和發(fā)展前途。孫德明[16]等歸納總結(jié)了部分流泵喉部和葉輪的匹配公式，面積比與流量系數(shù)、揚程系數(shù)以及比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系式。楊虎軍[17，18]等依據(jù)離心泵的面積比原理，推導(dǎo)得出了計算離心泵面積比的計算公式，提出建立在面積比原理基礎(chǔ)上、低比轉(zhuǎn)速離心泵在加大流量設(shè)計后的面積比、蝸殼第八斷面面積的計算方法及公式，使得面積比及蝸殼的第八斷面面積和泵的流量加大系數(shù)、比轉(zhuǎn)速加大系數(shù)得到了聯(lián)系。

總的來說，面積比原理的基本特點是用對面積比繪制的揚程系數(shù)和流量系數(shù)的形式來修正標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計數(shù)據(jù)。這種方法從整體上把葉輪和泵體這兩大水力部件聯(lián)系在一起，是有其科學(xué)性核發(fā)展前途的。

在以上幾種泵設(shè)計方法和設(shè)計理論中，應(yīng)用最多的是相似換算法和速度系數(shù)法。應(yīng)用相似換算法設(shè)計出來的泵性能很大程度上依賴水力模型的技術(shù)水平。

2 葉輪設(shè)計

2.1 葉輪基本參數(shù)的確定

主泵設(shè)計參數(shù)如表1。

3 流場分析

圖3為泵設(shè)計工況下的速度流線，從圖中可以看出，泵的內(nèi)部流線分布均勻，并無明顯的渦結(jié)構(gòu)，流線較流暢，本文設(shè)計的具有較好的流場。從進口開始，流速不斷增加，這是因為葉輪不斷對流體做功，機械能轉(zhuǎn)化為動能。而當(dāng)流體從葉輪進入蝸殼流道，流速開始降低，主要是因為蝸殼的擴壓作用，動能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能。

4 結(jié)束語

本文對目前泵設(shè)計方法如模型換算法、速度系數(shù)法、面積比原理和自由漩渦理論進行詳細介紹，并應(yīng)用相似換算法和速度系數(shù)法對參數(shù)為Q=1400m3/h，H=15m，n=990r/min的離心泵進行設(shè)計，通過CFD數(shù)值模擬，獲得了內(nèi)部流場較好的泵。

參考文獻

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[18]楊虎軍，張人會，王春龍，等.計算離心泵面積比和蝸殼面積的方法[J]，機械工程學(xué)報，2006，42（9）：67-70.

作者簡介：鄭玉彬（1975-），男，工程師，主要從來事火力發(fā)電廠相關(guān)技術(shù)研究工作。endprint

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作者簡介：鄭玉彬（1975-），男，工程師，主要從來事火力發(fā)電廠相關(guān)技術(shù)研究工作。endprint

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