中壓甲銨泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

于春雨 陳 波 彭 景 朱小兵

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500；2.重慶天然氣凈化總廠，重慶401200）

1 引言

中壓甲銨泵在尿素生產(chǎn)SNAM工藝中的作用是將低壓系統(tǒng)的甲銨液輸送到中壓系統(tǒng)，它的運(yùn)行效果關(guān)系到尿素生產(chǎn)系統(tǒng)能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地運(yùn)行，因此該泵可稱為尿素裝置中的龍頭機(jī)泵[1]。由于國內(nèi)泵廠在運(yùn)轉(zhuǎn)精度、水力參數(shù)、可靠性技術(shù)及軸密封技術(shù)等方面無法滿足要求，大型石化企業(yè)均首選國外進(jìn)口設(shè)備。進(jìn)口設(shè)備存在互換性差的缺點(diǎn)，維修所需零件大部分需從國外進(jìn)口，這既浪費(fèi)了大量人力、物力，同時(shí)在時(shí)間上也無法保證，可能造成停車停產(chǎn)，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增加企業(yè)的投入成本。實(shí)現(xiàn)中壓甲銨泵的國產(chǎn)化能夠滿足國內(nèi)大型石化企業(yè)的需求，并且能積累甲銨泵的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提高我國泵行業(yè)的技術(shù)水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 水力設(shè)計(jì)及造型

2.1 過流部件的水力設(shè)計(jì)

中壓甲銨泵為閉式葉輪泵，額定流量為，額定流量下?lián)P程為257m，額定轉(zhuǎn)速為2980r/min，設(shè)計(jì)出口壓力為2.76MPa，設(shè)計(jì)溫度為35.6℃。

2.1.1 葉輪水力設(shè)計(jì)

采用“速度系數(shù)法”對(duì)中壓甲銨泵葉輪進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)步驟[2]見表1。

表1 葉輪水力計(jì)算的基本內(nèi)容

2.1.2 導(dǎo)葉及吸入室水力設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用徑向?qū)~，導(dǎo)葉由正導(dǎo)葉、反導(dǎo)葉和彎道組成，正導(dǎo)葉包括擴(kuò)散段部分和螺旋線部分。螺旋線部分主要收集液體，擴(kuò)散段部分用來減小液體流速，即將液體一部分速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，以減少液體至下一段葉輪進(jìn)口過程中的水力損失。彎道可以改變液體的流動(dòng)方向，使液體產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)和向心運(yùn)動(dòng)，反導(dǎo)葉的作用是使液體從彎道出來后均勻地流入下一級(jí)葉輪進(jìn)口，控制下一級(jí)葉輪進(jìn)口的液流預(yù)旋[3]。

吸入室應(yīng)保證葉輪進(jìn)口前液流分布均勻，液流運(yùn)動(dòng)的速度方向符合要求，并應(yīng)盡可能地減小吸入室的水力損失。該中壓甲銨泵由于設(shè)計(jì)流速小，并且進(jìn)口損失和揚(yáng)程比較起來損失較小，因此可以采用直筒型吸入室代替進(jìn)行數(shù)值模擬。出口直徑即為葉輪的進(jìn)口直徑，吸入室的長(zhǎng)度為150mm。

2.2 三維建模及網(wǎng)格劃分

完成水力設(shè)計(jì)后，對(duì)泵體各過流部件進(jìn)行三維建模，用于后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算。本研究采用三維軟件Solidworks進(jìn)行建模，單級(jí)流域三維模型圖見圖1。

圖1 單級(jí)流域三維模型圖

本文采用ICEM CFD對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]。流域模型中吸入室采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，葉輪流域以及導(dǎo)葉流域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，以利于計(jì)算收斂。吸入室網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為168428和151680，葉輪流域的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1737717和302924，單級(jí)導(dǎo)葉流域的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為724301和128161。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 內(nèi)流場(chǎng)定常下的數(shù)值模擬

離心泵流場(chǎng)數(shù)值模擬的一個(gè)重要目的就是，利用模擬得到的流場(chǎng)，分析離心泵各關(guān)鍵部件流動(dòng)狀態(tài)的好壞，以判斷各部件的設(shè)計(jì)是否合理。

3.1.1 葉輪流場(chǎng)分析

圖2、圖3分別是設(shè)計(jì)工況下離心泵首級(jí)葉輪壓力云圖和首級(jí)葉輪前蓋板壓力云圖。根據(jù)圖2可以分析出對(duì)于單級(jí)葉輪，從葉輪進(jìn)口到葉片進(jìn)口流體壓力幾乎沒有變化，這表明區(qū)域內(nèi)流體所攜帶的能量幾乎沒有變化；從葉片進(jìn)口到葉片出口壓力逐漸增加，這表明該區(qū)域在不斷獲得能量，這是由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，流體在沿著葉輪流道流動(dòng)的過程中葉片做功，流體能量不斷增加致使壓力增大；葉輪壓力云圖壓力梯度均勻，沒有出現(xiàn)明顯的突變，各流道壓力分布基本均勻，這表明該葉輪的設(shè)計(jì)是成功的。

圖2 首級(jí)葉輪壓力云圖

圖3 首級(jí)葉輪前蓋板壓力云圖

圖4是葉輪易發(fā)生汽蝕部位分析圖。根據(jù)汽蝕原理，當(dāng)壓力低于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，容易發(fā)生汽蝕。進(jìn)一步分析可得出汽蝕點(diǎn)在葉片進(jìn)口處靠近葉片背面的地方，這也與理論研究結(jié)果相符。

圖4 葉輪易發(fā)生汽蝕部位分析圖

3.1.2 導(dǎo)葉流場(chǎng)分析

圖5是額定工況下首級(jí)導(dǎo)葉壓力云圖，壓力云圖表明導(dǎo)葉流道的壓力分布均勻，在導(dǎo)葉的擴(kuò)散段，壓力會(huì)沿流動(dòng)方向逐漸升高，這是由于液體流速減慢，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力能；在過渡段以及反導(dǎo)葉段，導(dǎo)葉的壓力沒有明顯的變化，并且未出現(xiàn)低壓區(qū)、漩渦等，導(dǎo)葉的壓力變化符合理論研究。因此導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)是合理可靠的。

3.2 內(nèi)流場(chǎng)非定常下的數(shù)值模擬

圖6 葉輪周期內(nèi)出口壓力隨葉輪相位變化

在模擬計(jì)算中以葉輪每轉(zhuǎn)過3°作為一個(gè)分析點(diǎn)，兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)作為一個(gè)定點(diǎn)分析，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，將定常結(jié)果導(dǎo)入作為非定常計(jì)算的原始計(jì)算數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制葉輪出口壓力以及離心泵揚(yáng)程隨葉輪相位變化的曲線圖，見圖6、圖7。

圖7 葉輪周期內(nèi)揚(yáng)程隨葉輪相位變化圖

分析可知，葉輪出口壓力以及泵揚(yáng)程隨葉輪相位呈周期性變化，且周期同葉輪周期一致，葉輪周期內(nèi)離心泵揚(yáng)程出現(xiàn)波動(dòng)。

4 結(jié)論及展望

本文通過水力設(shè)計(jì)以及大量的模擬分析，驗(yàn)證了使用非定常分析數(shù)值模擬方法對(duì)中壓甲銨泵進(jìn)行模擬的可行性，為中壓甲銨泵的國產(chǎn)化研究提供了一定的理論依據(jù)。

［1］王斌.離心式高壓甲銨泵長(zhǎng)周期運(yùn)行總結(jié)［J］.河南化工，2012，29(9):40-420.

［2］沈陽水泵研究所.葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［3］ReneBosson，Bruno Goirand.Design ofa high performance low cost hydrogen turbopump for VESCO engine［R］.AIAA 99-2191.

［4］紀(jì)兵兵，陳金瓶.ANSYSICEMCFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.