船用多級(jí)泵的水力仿真及汽蝕性能優(yōu)化分析

黃書才，穆春玉，楊勤，沈飛，方兵

船用多級(jí)泵的水力仿真及汽蝕性能優(yōu)化分析

黃書才，穆春玉，楊勤，沈飛，方兵

為預(yù)測(cè)DCP200-4型船用多級(jí)泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律及提高汽蝕性能，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過定性和定量分析對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，數(shù)值模擬可直觀形象地分析多級(jí)泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化誘導(dǎo)輪可有效提高汽蝕性能。

多級(jí)泵；內(nèi)部流場(chǎng)；數(shù)值模擬；汽蝕性能

多級(jí)泵因揚(yáng)程高、占地小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。近年來，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，對(duì)多級(jí)泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析的技術(shù)越來越成熟，眾多學(xué)者取得了一定的研究成果[1-5]。這些研究?jī)H分析了內(nèi)部流場(chǎng)及外特性，有些甚至只針對(duì)某一級(jí)或某個(gè)部件(如葉輪、誘導(dǎo)輪、導(dǎo)葉等)進(jìn)行分析或優(yōu)化，而對(duì)全流道進(jìn)行仿真，以及對(duì)多級(jí)泵汽蝕性能的優(yōu)化研究則鮮見報(bào)道[6-10]。

本文研究的DCP200-4型船用多級(jí)泵為我公司自主研發(fā)，輸送介質(zhì)為液化石油氣(liquefied petroleum gas，LPG)。石油氣具有易燃、易爆，以及易汽化的特點(diǎn)，通常將其加壓為液態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸。因此，該多級(jí)泵對(duì)汽蝕性能有很高的要求。

對(duì)多級(jí)泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，揭示內(nèi)部壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化規(guī)律，并通過定性和定量分析，對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低汽蝕余量，提高汽蝕性能。

1 基本參數(shù)

計(jì)算模型是一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為140.8的立式、單吸、多級(jí)(四級(jí))船用離心泵，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 DCP200-4型船用多級(jí)泵的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格

計(jì)算域及網(wǎng)格劃分如圖1所示，包括吸水井、進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、進(jìn)口導(dǎo)葉、四級(jí)葉輪、四級(jí)正反導(dǎo)葉和出水管路7個(gè)部分。該計(jì)算域與實(shí)際工況完全一致，這樣可以使模擬更加逼近真實(shí)場(chǎng)景。對(duì)計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并分別在誘導(dǎo)輪、葉輪和導(dǎo)葉的葉片附近進(jìn)行局部加密。為排除網(wǎng)格因素對(duì)模擬結(jié)果的影響，在設(shè)計(jì)工況下對(duì)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行無關(guān)性檢查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為 260萬左右時(shí)，泵的揚(yáng)程、功率和效率等均趨于穩(wěn)定，沒有再增加網(wǎng)格的必要。

2.2 控制方程

泵內(nèi)部流動(dòng)的介質(zhì)為L(zhǎng)PG，可視為不可壓粘性流體，其流體運(yùn)動(dòng)視為不可壓縮流體的湍流流動(dòng)。整個(gè)過程可用連續(xù)性方程、雷諾平均N-S方程、湍動(dòng)能k，以及湍動(dòng)能耗散率ε的輸動(dòng)方程等控制方程來描述[11]。

2.3 計(jì)算模型

運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)該型船用多級(jí)泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算中采用SIMPLEC算法求解控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來進(jìn)行數(shù)值模擬，方程的離散方式采用二階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-5。

2.4 邊界條件

1)進(jìn)口邊界條件。采用質(zhì)量進(jìn)口邊界條件。

2)出口邊界條件。采用壓力出口邊界條件。

3)壁面邊界條件。絕熱且無滑移壁面。

2.5 性能參數(shù)的計(jì)算

表征泵的主要性能參數(shù)有流量、揚(yáng)程、功率、效率及汽蝕余量等。對(duì)該泵的揚(yáng)程、功率、效率及汽蝕余量進(jìn)行計(jì)算如下[12]。

揚(yáng)程的計(jì)算公式為

(1)

功率的計(jì)算公式為

(2)

式中：N為泵軸的轉(zhuǎn)矩，Nm；ω為角速度，rad/s。

效率的計(jì)算公式為

(3)

式中：Qout為流體的體積流量，m3/s；Hout為單位重量流體出口處的總能頭，m。

汽蝕余量的計(jì)算公式為

(4)

其中：u1為葉片進(jìn)口處的圓周速度；s1為葉片前緣點(diǎn)的厚度；s為葉片的最大厚度。

v1、w1和u1值由泵入口的速度數(shù)值計(jì)算結(jié)果決定，s1、s由幾何模型決定。那么在一定工況下，泵的汽蝕余量是一定的。式(4)表明，泵汽蝕余量NPSHr只與泵進(jìn)口部分的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(v1、w1、u1)有關(guān)，是由泵本身的條件決定的，而與裝置參數(shù)無關(guān)。NPSHr越小，表示壓力降小，因而泵的抗汽蝕性能越好。所以NPSHr的物理意義是表示液體在泵進(jìn)口部分的壓力下降程度，也就是為了保證泵不發(fā)生汽蝕，要求在泵進(jìn)口處單位重量液體具有超過汽化壓力水頭的富余能量。

判別泵的汽蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)可以有2個(gè)，一個(gè)是上面提到的經(jīng)驗(yàn)公式(4)，NPSHr的值越小泵的汽蝕性能越好，v1和w1的值可以在數(shù)值模擬的結(jié)果中提取，但系數(shù)μ和λ的取值不一樣，得到的汽蝕余量將有誤差。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以作近似的定量分析。另一個(gè)是根據(jù)相同計(jì)算邊界的數(shù)值結(jié)果得到的泵內(nèi)壓力最低處(一般都在位于葉片背面進(jìn)口稍后處)的壓力值，最低壓力值越大的，汽蝕性能越好，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以作定性分析。

3 結(jié)果分析

3.1 壓力場(chǎng)分析

圖2為額定工況時(shí)的壓力場(chǎng)。通過分析可知，由于每級(jí)葉輪的出口均與正反導(dǎo)葉的進(jìn)口相連，正反導(dǎo)葉包裹在葉輪外部，所以經(jīng)過葉輪增壓后，隨著級(jí)數(shù)的增加，正反導(dǎo)葉的靜壓值呈現(xiàn)均勻遞增的趨勢(shì)，并在末級(jí)正反導(dǎo)葉達(dá)到最大值。也就是說，隨著級(jí)數(shù)的增加，揚(yáng)程呈現(xiàn)規(guī)律性的增加，滿足了多級(jí)泵適用于高揚(yáng)程的設(shè)計(jì)需求。

3.2 流場(chǎng)分析

圖3為額定工況時(shí)的流線分布。通過分析可知，整體流動(dòng)狀態(tài)是良好的，流線都比較光順，沒有明顯的折斷、沖擊、回流和漩渦等影響性能的現(xiàn)象，只是在進(jìn)口導(dǎo)葉和出口管路的入口處有較紊亂的局部流動(dòng)。這是由其局部結(jié)構(gòu)變化較大造成的，并且不可避免。

3.3 誘導(dǎo)輪壓降分析

本文研究的多級(jí)泵對(duì)汽蝕性能有極高的要求，設(shè)計(jì)點(diǎn)的汽蝕余量只有1.3 m，而CFD數(shù)值模擬要比較精確地確定其汽蝕性能有一定難度，并且誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)乎整機(jī)的汽蝕性能。鑒于此，需對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，最終形成了下述3個(gè)誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方案，見圖4。

如前所述，誘導(dǎo)輪的最低壓力值可對(duì)汽蝕性能作定性分析，即最低壓力值越大的，汽蝕性能越好。由此可定性的判斷，方案002的汽蝕性能最優(yōu)，其次為方案001，方案003的汽蝕性能最差。

3.4 性能曲線分析

圖5為3種誘導(dǎo)輪的性能曲線。由圖5可見，方案001和方案003的H-Q曲線、η-Q曲線，以及P-Q曲線均具有較高的重合度，說明二者具有相似的水力性能，且曲線變化平滑，無突變；而方案002的H-Q曲線、η-Q曲線，以及P-Q曲線與其余2個(gè)方案相差較大，揚(yáng)程高、效率低、軸功率大。因此，單從水力性能考慮，應(yīng)優(yōu)選方案001和方案003。

通過對(duì)比3種方案的NPSHr數(shù)值(見表2)以及其對(duì)應(yīng)的NPSHr-Q曲線(見圖5)，可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，3種方案的NPSHr值均達(dá)了設(shè)計(jì)要求。方案001的NPSHr最小，其次為方案002，方案003的NPSHr最大。由此可定量的判斷，方案001的汽蝕性能最優(yōu)。

表2 3種誘導(dǎo)輪方案在設(shè)計(jì)點(diǎn)的NPSHr

3.5 優(yōu)化結(jié)果

從定性分析的結(jié)果來看，方案002具有最佳的汽蝕性能，然而經(jīng)定量分析，方案002的汽蝕性能介于方案001和方案003之間，并且其揚(yáng)程、效率、軸功率均偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較遠(yuǎn)；從定量分析的結(jié)果來看，方案001的汽蝕性能最優(yōu)，從定性分析來看，其汽蝕性能也僅次于方案002。由此，綜合考慮定性分析和定量分析的結(jié)果，以及兼顧揚(yáng)程、效率和功率等外特性，最終選取方案001作為最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

1)隨著多級(jí)泵級(jí)數(shù)的增加，正反導(dǎo)葉的靜壓值呈現(xiàn)均勻遞增的趨勢(shì)，該變化規(guī)律可為在設(shè)計(jì)階段較好地預(yù)測(cè)多級(jí)泵的流動(dòng)性能提供理論依據(jù)。

2)進(jìn)口導(dǎo)葉和出口管路的入口處，有局部流動(dòng)較紊亂，如何最大限度地減小該區(qū)域的紊亂現(xiàn)象，是未來的工作方向之一。

3)通過定性和定量分析，對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了汽蝕余量。該方法可為設(shè)計(jì)高汽蝕性能的多級(jí)泵提供理論依據(jù)

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Hydraulic Simulation and Cavitation Performance Optimization of a Marine Multistage Pump

HUANG Shu-cai, MU Chun-yu,YANG Qin, SHEN Fei, FANG Bing

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

In order to predict the inner flow motion and raise cavitation performance of DCP200-4 marine multistage pump, numerical simulation was adopted to analyze its internal flow field, and optimize the design of the inducer. The results showed that numerical simulation could analyze the inner flow law of multistage pumps well, and the optimized inducer could sublimate its cavitation performance effectively.

multistage pump; inner flow; numerical simulation; cavitation performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.014

2016-09-13

國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目(發(fā)改辦高技[2015]1409號(hào))

黃書才(1986—)，男，碩士，助理工程師研究方向:流體機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0058-04

修回日期：2016-10-24