筒袋泵首級葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力性能影響

鄭水華,錢　亨,牟介剛,劉　菲,吳　波,陳　瑩

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.利歐集團股份有限公司,浙江 溫嶺 317500)

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筒袋泵首級葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力性能影響

鄭水華1,錢亨1,牟介剛1,劉菲1,吳波2,陳瑩1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.利歐集團股份有限公司,浙江 溫嶺 317500)

摘要：為進一步提高立式筒袋泵性能，基于RNG k—ε湍流模型，對立式筒袋泵首級葉輪進行數(shù)值模擬.通過分析改型前后各個流量狀況下的外特性曲線和離心泵內(nèi)壓力云圖，研究了不同葉片數(shù)和不同葉片包角角度情況下離心泵揚程和效率的變化情況，為筒袋泵進一步改良提供了依據(jù).結(jié)果表明：隨著葉片數(shù)的增加，離心泵各個流量情況下的最大效率值呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；隨著葉片包角的增大，離心泵效率先上升后下降，存在著一個對于離心泵性能最佳的包角角度；相較葉片數(shù)改變對性能的影響而言，葉片包角改變對性能的影響較小.

關(guān)鍵詞：筒袋泵；首級葉輪；葉片數(shù)；葉片包角

立式筒袋泵作為一種可靠性良好，性能優(yōu)秀的離心泵，在精煉廠、石油化工行業(yè)、發(fā)電廠、低溫工程中具有廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)造型曾經(jīng)進行過多次改進[1].由于立式多級筒袋泵結(jié)構(gòu)的特殊性，國內(nèi)外對其研究主要著重在工程實際上的應(yīng)用.Heinz hoffmann等[2]介紹了國外筒袋泵在液體傳輸中的應(yīng)用.最新的筒袋泵產(chǎn)品能夠滿足不斷增長的環(huán)境保護，安全性和效率需求.高華[3]、許文超等[4]結(jié)合相關(guān)現(xiàn)實案例，介紹了立式筒袋泵在使用過程中的注意事項，討論了立式筒袋泵安裝、維護方面對筒袋泵運行性能的影響.莊保堂等[5-6]對立式多級筒袋泵吸入裝置進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了葉片進口直徑較大的葉輪，并在首級葉輪兩側(cè)加裝了誘導(dǎo)輪，大幅提高了筒袋泵的空化性能.現(xiàn)有的立式筒袋泵結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠滿足使用現(xiàn)場的汽蝕性能要求，為了進一步提高筒袋泵的綜合水力性能，必須對立式多級筒袋泵水力性能進行深入研究.張金鳳等[7]研究了在葉輪葉片之間增加分流葉片對離心泵性能的影響，結(jié)果表明增加分流葉片有助于提高流體揚程，最高效率點向大流量工況偏移.張翔等[8]研究了葉片包角在單級單吸離心泵中對離心泵性能的影響，證明了葉片包角對離心泵性能的影響主要表現(xiàn)在對流體流動脫流和漩渦的影響，離心泵存在一個最佳包角角度.盡管已經(jīng)有很多學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)對離心泵進行研究[9-11]，但很少有學(xué)者對筒袋式凝結(jié)水泵進行通過數(shù)值模擬來優(yōu)化結(jié)構(gòu)并提高泵性能的研究.因此，以300LDTN-200立式多級筒袋泵為樣本，先分析其內(nèi)部水力狀態(tài)，流體流動規(guī)律，再通過改變?nèi)~片數(shù)，葉片包角和裝置流量，對不同組合下的水力模型進行數(shù)值研究，分析組合對筒袋泵水力性能的影響規(guī)律，從而得出使筒袋泵性能最優(yōu)化組合.

1數(shù)值模擬

1.1幾何模型

300LDTN-200立式多級筒袋泵流體域主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該筒袋泵葉輪兩側(cè)進口皆包含誘導(dǎo)輪，為了平穩(wěn)流體流入離心泵時的流動狀態(tài)，在葉輪進口處加3倍進口管直徑的進水管段[8].該模型泵性能參數(shù)為：設(shè)計流量Q=250 m3/h，設(shè)計揚程H=165 m，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，效率η=75%，進口直徑D1=185 mm，出口直徑D2=286 mm.

圖1　筒袋泵流體域三維模型Fig.1　Three-dimensional model of barrel pump fluid domain

根據(jù)離心泵設(shè)計原則，在理論計算最佳值附近選擇適當(dāng)改型參數(shù)，在不改變?nèi)~輪其他設(shè)計參數(shù)的情況下，如圖2對首級葉輪葉片數(shù)和葉輪包角進行改型，Z分別為4，5，6，7，φ分別為100°，110°，120°，130°，140°，其中原模型葉片數(shù)Z0=5，包角φ0=120°.

圖2　立式筒袋泵首級葉輪改型模型Fig.2　Modification model of barrel pump primary impeller

1.2湍流模型與網(wǎng)格劃分

Gambit軟件是一款成熟的商用流體網(wǎng)格劃分軟件，能夠自動將四面體、六面體、三角柱和金字塔形網(wǎng)格進行混合，在對于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)模型的研究上尤為有用，能夠有效提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性[10-11].由于筒袋泵流體域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為確保最終網(wǎng)格的質(zhì)量采用4面體網(wǎng)格，在誘導(dǎo)輪，葉輪和蝸殼這幾個影響重大的部位選用較小的網(wǎng)格尺寸，在進水管及出水管選用較大的網(wǎng)格尺寸.對葉輪和蝸殼流體域進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，選取從疏到密98～212萬7組不同網(wǎng)格數(shù)量的原模型在設(shè)計工況下進行定常計算，發(fā)現(xiàn)在總體網(wǎng)格數(shù)大于180萬后揚程變化小于1%.流體域模型網(wǎng)格數(shù)量最終控制在200萬左右.湍流數(shù)值模擬方法采用RNG k—ε模型[12-13]，其輸運方程分別為

(1)

(2)

(3)

η=Sk/ε

(4)

式中：k為湍動能；ε為耗散率；其余皆為無量綱常數(shù)：η0=4.38，β=0.012，Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68，σk=0.719 4，σε=0.719 4.

2性能參數(shù)預(yù)測

2.1實驗裝置

依據(jù)GB/T 3216—2005《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》對該泵進行外特性實驗，試驗臺簡圖如圖3所示.

圖3　水泵試驗臺簡圖Fig.3　Sketch of pump test rig

試驗中采用試驗電機效率為95.6%，電機實際功率通過高壓寬帶功率分析儀得到，再通過計算轉(zhuǎn)換成離心泵扭矩進行分析，其他主要實驗設(shè)備還包括手持式轉(zhuǎn)速儀、進出口壓力變送器和電磁流量計.

2.2數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

根據(jù)所述離心泵水力性能數(shù)值模擬方法，得到原模型泵H—Q和η—Q性能曲線.為了驗證立式多級筒袋泵CFD數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，把在相同流量工況下性能試驗的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬預(yù)測數(shù)據(jù)做對比，數(shù)值模擬與樣機試驗的H—Q和η—Q性能曲線對比如圖4所示.

圖4　模型泵性能曲線模擬值和實驗值對比Fig.4　Simulation value and experiment value contrast of model performance curves

從圖4中可以看出：兩曲線的趨勢基本一致.預(yù)測曲線中揚程隨流量的增加而降低，在大流量工況下?lián)P程的減小率變大、曲線變陡峭；效率先增大后減小，并在設(shè)計工況達到最高效率值.由于數(shù)值模擬不考慮離心泵制造質(zhì)量對于泵最后性能的影響，導(dǎo)致了數(shù)值模擬所得揚程、效率值整體大于試驗值.但揚程值絕對誤差在0.56～1.07 m之間，相對誤差范圍在2.48%～4.8%之間，最大誤差范圍小于5%，且設(shè)計工況下相對誤差小于3%；效率值絕對誤差在1.1%～3.1%之間，相對誤差范圍在1.5%～4.46%之間，證明了數(shù)值模擬結(jié)果具有分析對比價值.

2.3葉輪葉片數(shù)對水力性能的影響

圖5　不同葉片數(shù)外特性曲線Fig.5　External characteristic curves of different blade number

不同葉片數(shù)的立式多級筒袋泵揚程隨流量工況變化的規(guī)律如圖5(a)所示，由圖5(a)可知：在同一流量工況點，隨著葉片數(shù)的增加，揚程增大，當(dāng)葉片數(shù)為4時，揚程最小，葉片數(shù)為7時，揚程最大；當(dāng)葉片數(shù)由4增加到5時，揚程增加的幅度較大，隨著葉片數(shù)繼續(xù)增加，揚程增幅有所減小.不同葉片數(shù)立式多級筒袋泵效率隨流量工況變化的規(guī)律如圖5(b)所示，由圖5(b)可知：隨著葉片數(shù)的增加，效率最大值呈先增大后減小趨勢，原模型即葉片數(shù)為5時的最大效率為所有改型中的最大值；隨著雙吸葉輪葉片數(shù)的增加，當(dāng)葉片數(shù)為6和7時，小流量的效率曲線變得平緩；且隨著葉片數(shù)的逐漸增加，最高效率點向大流量方向移動.

2.4葉輪包角對水力性能的影響

為了研究葉輪不同包角大小對立式多級筒袋泵揚程的影響規(guī)律，在不改變原模型葉片數(shù)的情況下，離心泵的流量-揚程曲線、流量-效率曲線如圖6所示.在改變立式多級筒袋泵首級葉片的包角后，不同的流量工況下進行模擬的結(jié)果所得流量揚程曲線的整體趨勢基本一致.其中，φ=120°，130°和140°時的趨勢更為近似，呈現(xiàn)基本平行的狀態(tài).同一流量工況下，φ=140°時揚程最低，φ=120°時揚程最高，同時包角越小，包角角度的降低對于揚程的改變越明顯.當(dāng)φ=130°時，改型泵揚程在大流量情況下下降較快.φ=100°和110°的改型泵與模型泵相比，在流量小于1.2Qopt時，在同一流量工況下，揚程隨包角角度的增加而增大.隨著流量的增大，φ=120°的原模型相比于φ=100°和110°的揚程降低趨勢變得更陡峭，即原模型在大流量工況下的工作狀態(tài)不如包角稍小一點的模型泵.

圖6　不同包角外特性曲線Fig.6　External characteristic curves of different vane wrap angles

隨著包角的增大，最大效率值點向小流量方向移動，并且效率的最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，φ=130°時的效率最大值點為所有模型模擬中的最大效率；φ=100°和110°時，在最高效率點左側(cè)，隨著角度的減小，效率曲線的斜率增大，同一流量工況下，角度增加，效率值增大，在最高效率點右側(cè)，則是在同一流量工況下，角度越大效率值越小；φ=130°和140°時，從圖6(b)中可以看出：最高效率點先增加后減小，最高效率點左側(cè)的效率曲線隨著角度的增加趨勢變得平緩，且同一流量工況下角度越大效率值越大，在最高效率點右側(cè)，同一流量工況下，包角角度越大效率值越低.

φ=100°時的最高效率值為所有模型中最低的，可能是由于包角過小導(dǎo)致葉輪葉片流道內(nèi)擴散嚴(yán)重，使得葉片單位面積的負荷增大，從而形成葉片表面脫流，加重了立式多級筒袋泵的水力損失.隨著包角的增加，最高效率值也增加，但是葉片包角增加到130°時，包角再增加，最高效率值反而下降，在葉片出口安放未改變情況下，主要是由于包角增大過多使得葉輪葉片過長增加摩擦損失而使得效率下降.

3立式筒袋泵內(nèi)流場分析

3.1不同葉片數(shù)內(nèi)流場分析

圖7　不同葉片數(shù)各流量下壓力分布Fig.7　Pressure distribution of different blade number with different flow rates

圖7為各個泵模型在不同葉輪葉片數(shù)情況下截面壓力云圖.選取各個模型在流量Q=0.6Qopt，1.0Qopt和1.4Qopt時的云圖進行分析.根據(jù)圖7可以看出：流量越大，葉片數(shù)量對離心泵內(nèi)流體壓力分布的影響越明顯.在大流量情況下，隨著葉片數(shù)的增加離心泵內(nèi)流體壓力分布情況有顯著改善；葉片數(shù)越多，離心泵運行過程中越容易在流體域中產(chǎn)生低壓區(qū)，這會使得離心泵的效率有一定程度的下降；隨著離心泵流量增大，離心泵內(nèi)部各處壓力皆增大，所以在大流量工況下工作要注意離心泵蝸殼的承壓能力，較多的葉片數(shù)可以減小離心泵內(nèi)流體壓力最大值，避免離心泵運行故障.綜上所述，葉輪葉片數(shù)的增加對平穩(wěn)立式筒袋泵內(nèi)壓力分布，增加流體流動穩(wěn)定性具有一定作用，特別是在大流量情況下.

隨著葉片數(shù)的增加，液體與葉片的接觸面積增大，增加了水力損失，因此綜合考慮離心泵的效率和運行可靠性，模型泵最優(yōu)葉片數(shù)選擇為5個葉片.

3.2不同包角角度內(nèi)流場分析

圖8為各個泵模型在不同葉片包角情況下截面壓力云圖，選取各個模型在流量Q=0.6Qopt,1.0Qopt和1.4Qopt時的云圖進行分析.

從圖8中可以發(fā)現(xiàn):在相同流量工況下，隨著包角的增加，離心泵內(nèi)最高壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最低壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在大流量情況下包角的變化對離心泵內(nèi)流體最高壓力的影響更為顯著；在設(shè)計工況下，隨著包角的增大，離心泵內(nèi)低壓區(qū)有一定程度的減小.綜上所述，葉輪包角大小的變化對離心泵內(nèi)流體壓力的影響沒有特別顯著，對模型泵而言，在包角φ0=120°時離心泵內(nèi)壓力分布最均勻.

4結(jié)論

數(shù)值模擬應(yīng)用于研究立式離心泵性能具有良好的準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果相較于實驗結(jié)果誤差不超過5%.葉輪葉片數(shù)對于立式筒袋泵首級葉輪性能的影響主要體現(xiàn)在隨著葉片數(shù)的增加，離心泵揚程呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，其效率最大值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；在大流量情況下，葉片數(shù)的增加對于改善立式筒袋泵內(nèi)流體壓力分布具有顯著效果.葉輪葉片包角大小對于立式筒袋泵性能的影響沒有特別明顯的規(guī)律，總體上來說，隨著葉輪包角的增大，立式筒袋泵效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在選擇葉輪包角大小時，要綜合考慮其對于揚程，效率，流場壓力分布的影響.參考文獻：

圖8　不同包角角度各流量下壓力分布Fig.8　Pressure distribution of different vane wrap angles with different flow rates

[1]張翠萍,鄧德偉.低溫立式筒袋泵結(jié)構(gòu)發(fā)展簡述[J].水泵技術(shù),2014(2):18-34.

[2]HOFFMANN H, BOTT N. Barrel pumps for transferring liquids: the latest products meet increasing demands for environmental protection, workplace safety and efficiency[J]. Metal finishing,2005,103(9):47-49.

[3]高華,張凱,祁堯飛.立式筒袋泵在海洋石油平臺的應(yīng)用[J].中國造船,2010,51(z1):140-143.

[4]許文超,韓笑,楊立,等.安裝、維護對立式筒袋泵的影響[J].石油/化工通用機械,2014(9):59-61.

[5]莊保堂,羅先武,王鑫,等.立式多級筒袋泵誘導(dǎo)輪及首級葉輪內(nèi)的空化流動數(shù)值模擬[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,51(2):267-271.

[6]莊保堂,羅先武,余偉平,等.立式多級筒袋泵吸入裝置的優(yōu)化設(shè)計[J].排灌機械工程學(xué)報,2010,28(1):1-6.

[7]張金鳳,袁壽其,付躍登,等.分流葉片對離心泵流場和性能影響的數(shù)值預(yù)報[J].機械工程學(xué)報,2009,45(7):131-137.

[8]張翔,王洋,徐小敏,等.葉片包角對離心泵性能的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(11):38-42.

[9]GUO Xiaomei, ZHU Linhang, ZHU Zuchao, et al. Numerical and experimental investigations on the cavitation characteristics of a high-speed centrifugal pump with a splitter-blade inducer[J]. Journal of mechanical science and technology,2015,29(1):259-267.

[10]HUANG Si, SU Xianghui, GUO Jing, et al. Unsteady numerical simulation for gas-liquid two-phase flow in self-priming process of centrifugal pump[J]. Energy conversion and management,2014,85:694-700.

[11]CUI Baoling, CHEN Desheng, XU Wenjing, et al. Unsteady flow characteristic of low-specific-speed centrifugal pump under different flow-rate conditions[J]. Journal of thermal science,2015,24(1):17-23.

[12]溫正,石良辰,任毅如.FLUENT流體計算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[13]童躍平,張淑佳,李賢華,等.標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型與RSM模型在離心泵三維模擬中的比較[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,36(6):678-681.

[14]陸河權(quán),牟介剛,鄭水華,等.凹槽深度對新型平衡鼓性能影響的研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,40(5):559-561.

[15]張韜,張淑佳,毛鵬展,等.定常多相位方法與非定常方法用于離心泵數(shù)值模擬的比較研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,37(6):644-647.

(責(zé)任編輯：劉巖)

Influences of barrel pump primary impeller structural parameters on hydraulic performance

ZHENG Shuihua1, QIAN Heng1, MOU Jiegang1, LIU Fei1, WU Bo2, CHEN Ying1

(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. LEO Group Co., Ltd., Wenling 317500, China)

Abstract:Based on RNG k-ε turbulence model, numerical simulations is used in barrel pump primary impeller to further improve barrel pump performance. Through the analysis of external characteristic curves and flow field pressure distribution of different model in different flow rates, the change of head and efficiency in different blade number and different vane warp angles is researched to provide the basis for pumps improvement. The results indicate that head rises with the blade number added but efficiency first rises then falls. The change of blade number is more obvious to influence pump’s performance in large flow rate. The efficiency first rises then falls with the vanes warp angles added. The impact of vanes warp angles on the performance is less than the blade number.

Keywords:barrel pump; primary impeller; blade number; vanes warp angle

收稿日期：2015-09-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51476144)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LQ15E050005)

作者簡介：鄭水華(1977—)，男，浙江杭州人，副教授，博士，主要從事流體分析研究工作，E-mail:zneu@zjut.edu.cn.

中圖分類號：TH311

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)02-0189-06