脫硫除塵離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計及流場模擬分析

王玉勤，孫其龍，王 宇

(巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽，巢湖 238000)

0 引言

早期的離心泵研制主要基于Euler理論、一元理論、二元理論和流動相似理論等進行水利設(shè)計和模型換算，設(shè)計人員是否具備豐富的工程經(jīng)驗是決定離心泵設(shè)計成功與否的關(guān)鍵[1]。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，采用新的虛擬樣機技術(shù)對離心泵的水力模型、結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化設(shè)計已變得不可或缺，常用的方法有[2]：試驗優(yōu)化設(shè)計、準(zhǔn)則篩選法優(yōu)化設(shè)計、速度系數(shù)優(yōu)化設(shè)計、損失極值法優(yōu)化設(shè)計、完全優(yōu)化設(shè)計和計算流體動力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）優(yōu)化設(shè)計等。

工業(yè)上為實現(xiàn)脫硫功能，通常對化工泵進行改進，但改進后的化工泵工作效率較低，達不到節(jié)能環(huán)保的要求、而且工況不適合脫硫除塵用泵的要求[3]。針對傳統(tǒng)離心泵在這一方面的不足，在對離心泵進行水力設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用 CFD技術(shù)對所設(shè)計離心泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，以期改進離心泵的工作性能，提高工作效率，滿足節(jié)能環(huán)保要求，脫硫除塵離心泵設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1 水力設(shè)計

采用速度系數(shù)法對脫硫除塵離心泵的水力設(shè)計進行計算[4]，其中：轉(zhuǎn)速n= 2 900r/min，流量，揚程h= 60 m。

本次設(shè)計的脫硫除塵離心泵為單吸式葉輪，泵的比轉(zhuǎn)數(shù)水力效率容積效率為機械效率

計算得：脫硫除塵離心泵總效率=0.745。

2 脫硫除塵離心泵葉輪設(shè)計

考慮到脫硫除塵離心泵所針對的流體介質(zhì)為酸性介質(zhì)，選取具備良好的抗酸堿腐蝕性能和具有一定機械強度的硬聚氯乙烯作為葉輪的材料。

2.1 葉輪設(shè)計

1）計算脫硫除塵離心泵的吸入口、出口直徑泵的進口流速= 2 .5 m/s ，脫硫除塵離心泵的吸入口直徑== 7 2.3 mm，脫硫除塵離心泵的出口直徑= 7 5～52.5 mm。

2）葉輪進口直徑的確定

葉輪當(dāng)量直徑：

式(1)中：為葉輪進口系數(shù)，考慮到脫硫除塵離心泵汽蝕和效率，選取=4.0。

輪轂直徑：

式(2)中：脫硫泵軸徑d= 1 4 mm 。

葉輪進口直徑== 6 4.19 mm。

3）葉輪出口直徑的確定

葉輪出口直徑：

4）葉輪出口寬度的確定

葉輪出口寬度的計算公式[3]：

5）葉輪入口寬度的確定

首先確定葉輪入口速度，再計算葉輪入口寬度。

式(5)中：

6）葉片進出口安放角的確定

葉片推薦的進口角=，沖角。

由于，選定進口安放角。

考慮通常情況下的取值是～范圍內(nèi)因此，此處設(shè)計選用的出口安放角。

7）葉片數(shù)Z的確定。

8）葉片厚度的計算和葉片包角的選擇計算葉片厚度：

式(7)中：系數(shù)A與比轉(zhuǎn)速和材料相關(guān)，查表[4]可取A= 4.5。

一般情況下，葉片包角選擇，由于泵的比轉(zhuǎn)數(shù)較低，葉片包角取。

2.2 葉片的繪型

綜上所述，經(jīng)過綜合考慮，葉輪的主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪的主要幾何參數(shù)Table 1 The main geometric parameters of the impeller

3 脫硫除塵離心泵渦室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

3.1 基圓直徑和渦室進口寬度計算

基圓直徑

綜合考慮，的取值為220 mm。

3.2 渦室各斷面面積計算

為便于計算和繪型，選用圓形渦室，并8等分。渦室斷面的平均速度為：

式(7)中：速度系數(shù)= 0 .48。

各斷面面積計算公式為：

式(8)中：i分別取 1～8。

渦室各斷面面積計算結(jié)果如表2所示。

表2 渦室斷面面積數(shù)據(jù)Table 2 Cross-sectional area data of vortex chamber

3.3 脫硫除塵離心泵吸水室水力設(shè)計

吸水室進口直徑Ds是：

綜合考慮，取Ds= 7 0 mm 。

4 脫硫除塵離心泵三維建模與內(nèi)部流場分析

CFD技術(shù)是流體力學(xué)和計算機技術(shù)相互融合交叉的一門新興學(xué)科，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值模擬實驗和計算分析研究，其結(jié)構(gòu)一般由前處理、求解、后處理三部分組成[5]。目前比較常用的 CFD軟件有：CFX、ICEM、Fluent、comsol、CFturbo和PumpLinx等。為預(yù)測離心泵內(nèi)部流場情況，采用 CFD技術(shù)對脫硫除塵離心泵進行數(shù)值模擬計算，利用CFturbo軟件進行離心泵三維建模前處理，利用PumpLinx軟件對內(nèi)部流場進行求解計算，在此基礎(chǔ)上處理相關(guān)計算結(jié)果，得到離心泵內(nèi)部壓力、速度和汽蝕的特性情況。

4.1 脫硫除塵離心泵三維建模

CFturbo是專業(yè)的葉輪及蝸殼設(shè)計軟件，操作方便，廣泛應(yīng)用于離心泵、離心風(fēng)機、渦輪等旋轉(zhuǎn)機械的設(shè)計[6-8]。將所設(shè)計的參數(shù)導(dǎo)入CFturbo軟件中，通過參數(shù)設(shè)定即可得到初始設(shè)計的離心泵三維模型。圖2和圖3表示的是離心泵葉輪三維示意圖和模型，圖4所示的是蝸殼三維模型，圖5所示的是葉輪與蝸殼過流部件配合模型。

圖2 離心泵葉輪三維示意圖Fig.2 Centrifugal pump impeller three-dimensional diagram

圖3 離心泵葉輪三維模型Fig.3 Centrifugal pump impeller three-dimensional model

圖4 離心泵蝸殼三維模型Fig.4 Centrifugal pump volute three-dimensional model

圖5 葉輪與蝸殼過流部件配合模型Fig.5 The model of impeller and volute parts with the flow

4.2 脫硫除塵離心泵網(wǎng)格劃分

將建模完成的脫硫除塵離心泵三維模型導(dǎo)入PumpLinx軟件中，使用笛卡爾網(wǎng)格生成器對模型進行網(wǎng)格劃分[9]，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分后模型Fig.6 Model after meshing

4.3 模擬邊界條件設(shè)定

在PumpLinx軟件中設(shè)置模擬條件，包括介質(zhì)的密度、溫度、運動粘度、飽和蒸氣壓和體積彈性模量等，具體設(shè)置如表3所示。

表3 邊界條件參數(shù)Table 3 Boundary condition parameters

4.4 離心泵內(nèi)部流場模擬

設(shè)定邊界參數(shù)后，經(jīng)過PumpLinx軟件模擬后，即可得到離心泵內(nèi)主要指標(biāo)的殘差曲線圖，如圖 7所示。設(shè)定迭代次數(shù)為2000步，當(dāng)?shù)?100步時，各指標(biāo)基本趨于穩(wěn)定。

圖7 殘差曲線圖Fig.7 Residual curve graph

圖8～ 10分別為脫硫除塵離心泵壓力云圖、速度云圖和氣蝕云圖。

圖8 離心泵壓力場分析云圖Fig.8 Centrifugal pump pressure field analysis cloud

圖9 離心泵速度場分析云圖Fig.9 Centrifugal pump velocity field analysis cloud

圖10 離心泵氣蝕分析云圖Fig.10 Centrifugal pump cavitation analysis cloud

由圖8可知，葉輪吸入口附近的液體所受到的壓力最小，近似等于 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約為0.101 MPa。從吸入口到出口，壓力逐漸增大，在葉輪邊緣位置達到0.668 MPa，各流道壓力分布均勻，沒有明顯的突變現(xiàn)象，泵的壓力分布表現(xiàn)出對稱性。由于介質(zhì)在蝸殼中流動，蝸殼中壓力分布基本均勻，其速度是一個慢慢下降的過程?？梢姡仛ぶ心芰繐p失較小，該泵的蝸殼設(shè)計是合理的。

由圖9可知，離心泵在正常工作時，蝸殼中的流速是基本相同的。當(dāng)液體進入葉輪內(nèi)部時，由于葉輪轉(zhuǎn)速較大，液體在葉輪通道內(nèi)逐漸被加速，在蝸殼壁附近速度達到最大，約為52.731 m/s，未出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象?？梢?，離心泵內(nèi)液體的流速分布是合理的。

從圖 10可知，離心泵內(nèi)部發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，主要集中在葉輪的邊緣位置，最大氣蝕量為2.45625×，汽蝕對葉輪的影響可忽略不計。由于蝸殼與葉輪間有一定的間隙，導(dǎo)致葉片前進面的葉輪與蝸殼接觸處受汽蝕影響較嚴(yán)重，蝸殼和葉輪中心位置沒有發(fā)生明顯的氣蝕現(xiàn)象，汽蝕在整個葉輪中分布相對較均勻，影響較小。可見，葉輪材料選用硬聚氯乙烯，其機械強度滿足工作要求。

5 結(jié)論

1）采用速度系數(shù)法對脫硫除塵離心泵進行水力設(shè)計，計算得到了葉輪和蝸殼的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）采用CFturbo軟件內(nèi)置設(shè)計模塊，完成了脫硫除塵離心泵的葉輪和蝸殼的三維建模。

3）利用Pumplinx軟件對葉輪和蝸殼進行網(wǎng)格劃分，并分別對離心泵內(nèi)部壓力、速度、汽蝕進行數(shù)值模擬與分析。模擬結(jié)果表明，所設(shè)計的脫硫除塵離心泵結(jié)構(gòu)合理，滿足使用要求。通過上述分析，對離心泵使用性能的進一步研究與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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