新型射流式噴灌自吸泵的水力設(shè)計與數(shù)值模擬*

周英環(huán)，劉建瑞，王　增

(1.北京科技職業(yè)學(xué)院，北京 102206；2.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

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新型射流式噴灌自吸泵的水力設(shè)計與數(shù)值模擬*

周英環(huán)1，劉建瑞2，王增3

(1.北京科技職業(yè)學(xué)院，北京 102206；2.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

通過分析自吸泵結(jié)構(gòu)和自吸性能的不足，對自吸泵的壓水室進行了改進，由正導(dǎo)葉式環(huán)形流道改進為正反導(dǎo)葉組合式流道，從而改變了流體的速度，流體順著反導(dǎo)葉流到導(dǎo)葉中心，減少了流體對泵殼的沖擊，并有效地減少或消除了泵腔的水流速度環(huán)量，使氣水分離更加充分，達(dá)到了提高自吸性能的目的。采用加大流量設(shè)計法對新型節(jié)水農(nóng)業(yè)用射流式噴灌自吸泵的葉輪和壓水室進行了水力設(shè)計，并通過應(yīng)用Pro/E和Fluent軟件，對加設(shè)了反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的泵體進行了3D結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬，驗證了增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的意義。

自吸泵；自吸性能；正反導(dǎo)葉；水力設(shè)計；數(shù)值模擬

通過分析50PG-28自吸泵結(jié)構(gòu)和自吸性能的不足，對自吸泵的泵腔進行了改進，由正導(dǎo)葉式環(huán)形流道改進為正反導(dǎo)葉組合的雙導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)流道，從而改變了流體的速度，流體順著反導(dǎo)葉流到導(dǎo)葉中心，減少了流體對泵殼的沖擊，并有效減少或消除了泵腔的水流速度環(huán)量，使氣水分離更加充分，達(dá)到了提高自吸性能的目的[1]。

本文對新型節(jié)水農(nóng)業(yè)用微型射流式噴灌自吸泵進行了水力設(shè)計，并通過應(yīng)用Pro/E和Fluent軟件，對加設(shè)了反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的泵體進行3D結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值模擬，驗證了增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的意義。

1　新型泵的水力設(shè)計

1.1噴灌泵的設(shè)計參數(shù)

設(shè)計流量qv=15m3/h，揚程H=28m，轉(zhuǎn)速n=2 860r/min，自吸高度Hg=4.5～5m。

1.2葉輪的水力設(shè)計

1.2.1葉輪軸面投影尺寸

1)葉輪進口直徑Dj。首先計算葉輪進口有效直徑D0，該自吸泵葉輪進口沒有輪毅(懸臂式葉輪)，即輪毅直徑Dh=0，則進口直徑為：

(1)

式中，n是泵的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Q是泵的流量，單位為m3/s；K0是系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計資料選取。

2)葉輪出口直徑D2。在設(shè)計一般離心泵時，葉輪出口直徑即葉輪外徑D2可以按下式來確定：

(2)

式中，u2是葉輪出口處的圓周速度，單位為m/s。

葉輪出口處的圓周速度是自吸泵設(shè)計時的一個關(guān)鍵參數(shù)。一方面，它對自吸時間和自吸高度有重要影響；另一方面，它對自吸泵的效率也有影響[2]。葉輪出口處的圓周速度由下式確定：

(3)

式中，Ku2是直徑D2的圓周速度系數(shù)，由ns確定，比轉(zhuǎn)速小時取大值，反之取小值；h是泵的揚程，單位為m。

由于泵的進口S型彎管等使得自吸泵增加了水力損失，同時出氣口氣液分離室的渦流也會造成影響，所以在計算葉輪外徑時，自吸泵葉輪的計算揚程應(yīng)比上述計算值大，這里引入直徑放大系數(shù)K，于是自吸泵的葉輪外徑D2′可由下式確定：

D2′=KD2

(4)

式中，K是葉輪外徑放大系數(shù)，K=1.03～1.08。

3)葉輪出口寬度b2。b2可由下式確定：

(5)

式中，Kb2=(0.64～0.7)(ns/100)5/6。

Kb2、K應(yīng)根據(jù)實際經(jīng)驗來取值，不能過大或者過小[3]。

1.2.2葉片數(shù)Z的確定

葉片數(shù)對泵的揚程、效率和氣蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數(shù)，一方面要考慮盡量減少葉片的排擠和表面的摩擦，另一方面又要使葉道有足夠的長度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對液體的充分作用[4]。通常采用的葉片數(shù)也可按比轉(zhuǎn)速選取(見表1)。這里葉片數(shù)取Z=6。

最終得到葉輪的水力模型如圖1所示。

圖1　葉輪的水力模型圖

2　射流式噴灌泵的三維造型

在應(yīng)用Pro/E軟件進行三維造型設(shè)計導(dǎo)葉時，先通過“插入-掃描”混合命令由點到線，由線到面，由面到體生成其中一個導(dǎo)葉，再通過“編輯-陣列”命令生成其他幾個導(dǎo)葉[5]。葉輪的三維造型如圖2所示。導(dǎo)葉的三維造型如圖3所示。反導(dǎo)葉的三維造型如圖4所示。

圖2　葉輪造型　　　　圖3　導(dǎo)葉造型

圖4　反導(dǎo)葉造型

在裝配射流式噴灌泵的過程中，首先應(yīng)對該泵進行整體分析，要弄清哪些元件具有運動自由度，哪些元件完全約束。增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)前，噴灌泵的水力造型如圖5a所示，增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)后，噴灌泵的水力造型如圖5b所示。

圖5　增設(shè)反導(dǎo)葉前、后噴灌泵的水力造型

3　射流式噴灌泵的數(shù)值模擬

3.1網(wǎng)格劃分

為了保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性，葉輪進、出口及泵的出口均做了適當(dāng)?shù)难由?。由于進行整體計算，幾何模型比較復(fù)雜，加上反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)后更為復(fù)雜，所以應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT，采用對復(fù)雜邊界模型適用性較強的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格來進行劃分[6]。將圖5增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)前、后噴灌泵流道的物理模型導(dǎo)入GAMBIT軟件，選擇Fluent5/6求解器，對葉輪、導(dǎo)葉和泵體、反導(dǎo)葉等流體區(qū)域分別劃分網(wǎng)格。具體采用三維混合網(wǎng)格，并對葉輪部分進行局部加密。增設(shè)反導(dǎo)葉前噴灌泵流道的三維網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6a所示，網(wǎng)格間距為1.0，進口流道和葉輪劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為25 004，導(dǎo)葉和泵體劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為715 949，整個模擬對象的網(wǎng)格總數(shù)量為740 953；增設(shè)反導(dǎo)葉后噴灌泵流道的三維網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6b所示，網(wǎng)格間距為1.0，進口流道和葉輪劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為182 215，導(dǎo)葉和反導(dǎo)葉劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為403 385，泵體劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為344 079，整個模擬對象的網(wǎng)格總數(shù)量為930 179。

圖6　增設(shè)反導(dǎo)葉前、后噴灌泵流道網(wǎng)格劃分

3.2葉輪中截面絕對速度分布[7]

在Q/Qd=1.0工況下，增設(shè)反導(dǎo)葉前、后葉輪中截面絕對速度矢量圖和分布圖分別如圖7和圖8所示。

圖7　絕對速度矢量圖

圖8　絕對速度分布圖

由圖7a可以看出，在葉片出口靠近背面處出現(xiàn)漩渦，產(chǎn)生回流，導(dǎo)致局部水頭損失，影響水泵的性能。由圖8a可以看出，各流道內(nèi)部速度分布比較均勻，葉輪流道內(nèi)絕對速度從進口到出口呈逐漸增大，速度最大值出現(xiàn)在葉片出口附近。由圖7b可以看出，葉片工作面的速度大于相對應(yīng)位置背面的速度，從葉片工作面到背面速度變化比增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)前要平和很多，漩渦和回流區(qū)消失，這說明增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對提高噴灌泵的性能很有意義。由圖8b可以看出，各流道內(nèi)部速度分布比較均勻，從葉輪的進口至出口絕對速度逐漸增大，速度最大值仍是出現(xiàn)在葉片的出口附近，但速度變化變得平緩，這說明增設(shè)反導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)可以減少流體對泵殼的沖擊損失，能有效地消除泵腔的速度環(huán)量，從而使氣水分離速度加快，提高了噴灌泵的自吸性能。

4　結(jié)語

通過數(shù)值模擬證明新型射流式噴灌自吸泵的設(shè)計是可行的，下一步將對新型射流式噴灌泵進行試驗，并將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬進行比較[8]。這將為輕小型射流式噴灌自吸泵的進一步研究提供理論依據(jù)。

[1] 周英環(huán)，袁壽其，劉建瑞，等. 新型射流式噴灌自吸泵的水力設(shè)計與對比試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2009(4)：62-64.

[2] 葉忠明，劉建瑞. 射流式自吸噴灌泵結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法初探[J].中國農(nóng)村水利水電，2005(11)：104-105.

[3] 劉建瑞，周貴平，施衛(wèi)東. 輕小型射流式自吸噴灌泵設(shè)計與研究[J].水泵技術(shù)，2006(3)：3-4.

[4] 周英環(huán)，劉建瑞，袁壽其，等. 50PG-28型射流式自吸噴灌泵的改進與試驗[J].排灌機械，2008，26(3)：6-9.

[5] 徐竹.智能CAD技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2015(7)：69-70.

[6] 馬志燕.數(shù)值模擬技術(shù)及其在沖壓加工中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2014(8)：12-14.

[7] 周英環(huán)，袁壽其，劉建瑞. 新型射流式噴灌泵的數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[8] 劉建瑞，李文科，施衛(wèi)東. 射流式自吸離心泵的試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2007(4)：66-69.

* 北京市教委青年英才計劃項目(19183)

責(zé)任編輯鄭練

TheHydraulicDesignandNumericalSimulationoftheNewSelf-SuctionSprinklerIrrigationJetPump

ZHOUYinghuan1,LIUJianrui2,WANGZeng3

(1.BeijingProfessionUniversityofScienceandTechnology,Beijing102206,China; 2.TechnicalandResearchCenterofFluidMachineryEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China; 3.BeijingManeuveringApparatusResearchInstituteofAccurateElectromechanic,Beijing100076,China)

Throughdiscussingthedisadvantageofself-suctioncapabilityandstructureofself-suctionsprinklerirrigationpump,introducethenewstructurenameddouble-guidebladewhichiscombinedwiththepositiveandnegativeguideblades.Itchangesthevelocityofthefluidwhichgoesintothecenterofguidevanealongtheanti-guidevane.Thus,theimpactofthefluidinthepumpisreduced,andthewaterflowvelocitycirculationofpumpcavityarereducedoreliminatedeffectively.Theself-suctioncapabilityofthepumpcanbeimprovedandtheself-suctiontimeisshortened.Thehydraulicdesignoftheimpellerandvolutearedonebydesigningmethodsofoversize-flow.The3Dphysicaldesignandnumericalsimulationforthedouble-guidebladepumparedonebythesoftwareofPro-eandFluent.Asaresult,thesignificanceisverifiedbythispaper.

self-suctionpump,self-suctioncapacity,positiveandnegativeguide-blades,hydraulicdesign,numericalsimulation

2016-03-09

TH311A

周英環(huán)(1983-)，女，專職教師，中級經(jīng)濟師，主要從事噴灌自吸泵的設(shè)計等方面的研究。