高壓多級(jí)離心泵導(dǎo)葉的優(yōu)化及分析

周文祥， 李春寧， 吳林虎

(1. 揚(yáng)州港口污泥發(fā)電有限公司， 江蘇揚(yáng)州 225009;2. 南京東大能源工程設(shè)計(jì)院有限公司， 南京 211106)

導(dǎo)葉是多級(jí)離心泵中一個(gè)重要的過流部件，主要作用是收集從葉輪中流出的液體,將其輸送到下一級(jí)葉輪入口或泵出口，將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，盡量消除液體在下一級(jí)葉輪入口處的旋轉(zhuǎn)速度。因此，導(dǎo)葉是一個(gè)重要的能量轉(zhuǎn)換部件，其水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)離心泵性能有著不可忽略的影響。已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流殼內(nèi)的水力損失占泵內(nèi)水力損失的40%～50%[1-2]。

近年來，為了進(jìn)一步提高多級(jí)離心泵的性能，降低運(yùn)行成本，導(dǎo)葉的研究越來越得到重視，基于數(shù)值仿真模擬的關(guān)于導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)及新型導(dǎo)葉的研究工作也迅速發(fā)展起來。1988年，查森等[3]創(chuàng)建了離心泵導(dǎo)葉流場(chǎng)的計(jì)算模型，分析了導(dǎo)葉內(nèi)部液體流動(dòng)情況，并有效判斷出了導(dǎo)葉內(nèi)部的分流區(qū)域及分流的嚴(yán)重程度。1998年，虞之日[4]在分析節(jié)段式多級(jí)泵正導(dǎo)葉和反導(dǎo)葉之間的環(huán)形空間中的速度和能量變化、過流面積及形狀的基礎(chǔ)上, 對(duì)環(huán)形空間的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探討，認(rèn)為導(dǎo)葉壓水室的擴(kuò)散段設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是權(quán)衡因流速過大造成的各種過流損失和擴(kuò)散、收縮造成的損失。2006年，李家文等[5]提出了一種新型流道式導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方法，通過試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比，得出該設(shè)計(jì)方法有利于提高導(dǎo)葉的水力性能。2014年，周邵萍等[6]采用葉輪設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了徑向?qū)~的反導(dǎo)葉，對(duì)過渡段光滑處理，并運(yùn)用脫體渦模擬(DES)數(shù)值仿真分析了改進(jìn)后的導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的反導(dǎo)葉和過渡段均有利于提高泵的性能。

袁丹青等[7]設(shè)計(jì)了一種新型空間導(dǎo)葉，利用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法探索出主要幾何參數(shù)對(duì)空間導(dǎo)葉的影響規(guī)律并確定出最優(yōu)幾何參數(shù)組合；但是該新型空間導(dǎo)葉內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)脫落、漩渦等現(xiàn)象。筆者對(duì)該新型空間導(dǎo)葉進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以額定壓力為7.4 MPa、額定體積體積流量為1 000 m3/h的節(jié)段式高壓多級(jí)離心泵為研究對(duì)象，根據(jù)導(dǎo)葉流道過流面積的變化規(guī)律和導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)情況，通過調(diào)整導(dǎo)葉葉片型線來改變導(dǎo)葉葉片厚度，使導(dǎo)葉流道更符合水力流動(dòng)，并確定最優(yōu)方案，為高壓多級(jí)離心泵和導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)研究提供一定的技術(shù)參考。

1 節(jié)段式高壓多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)

圖1為節(jié)段式高壓多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)示意圖。

該離心泵符合API 610—2004 《石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵》BB4型結(jié)構(gòu)形式，多級(jí)節(jié)段式，徑向剖分，兩端支撐；垂直吸入，垂直吐出，中心線支撐安裝方式。泵總體設(shè)計(jì)符合GB/T 5656—2008 《離心泵技術(shù)條件》，參考API 610—2004以及煉廠、化工和石油化工流程用離心泵通用技術(shù)條件，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用國內(nèi)最先進(jìn)的平焊設(shè)計(jì)方法，承壓件均采用鍛造車削焊接成型，縮短了工期，提高了泵的抗震性、運(yùn)行穩(wěn)定性，而且承壓性能大大提高，抗高溫形變性能好，有效避免了鑄件結(jié)構(gòu)泵的鑄件疏松、砂眼、高溫滲水及高溫鑄件裂紋斷裂等缺陷。密封腔按API 682—2014 《離心泵與轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》設(shè)計(jì)，可裝各種形式密封，如單端面機(jī)械密封、雙端面機(jī)械密封、串聯(lián)式機(jī)械密封。密封函體設(shè)有可供選擇的冷卻腔，通冷卻水冷卻密封函體介質(zhì)溫度，延長密封使用壽命。軸向力平衡機(jī)構(gòu)為平衡盤或平衡鼓結(jié)構(gòu)，殘余軸向力由推力軸承承受。

筆者針對(duì)鍋爐給水采用的節(jié)段式高壓多級(jí)離心泵的導(dǎo)葉葉片進(jìn)行仿真優(yōu)化，通過調(diào)整導(dǎo)葉葉片型線來改變導(dǎo)葉葉片厚度，使導(dǎo)葉流道更符合水力流動(dòng)，從而指導(dǎo)高壓多級(jí)離心泵的設(shè)計(jì)。

2 空間導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖2為袁丹青等[7]設(shè)計(jì)的新型導(dǎo)葉的導(dǎo)葉中間流面速度矢量圖。由圖2可以看出：從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口液體流速不斷降低，在導(dǎo)葉反流道內(nèi)流速達(dá)到最小值并基本保持穩(wěn)定，這符合液體在導(dǎo)葉中的流動(dòng)規(guī)律。但經(jīng)過正交試驗(yàn)優(yōu)化后的導(dǎo)葉，在反流道凸面附近存在低速流動(dòng)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)比較復(fù)雜、紊亂。圖3為該導(dǎo)葉的凸面速度矢量局部放大圖。由圖3可以看出：導(dǎo)葉從正導(dǎo)葉到反導(dǎo)葉過流面積變化較大，脫流和漩渦現(xiàn)象明顯，特別是在導(dǎo)葉后半部分，過流面積擴(kuò)散比較明顯，引起邊界層分離、脫流等現(xiàn)象，即該新型空間導(dǎo)葉的正反葉片連接為一體，過流流道長、包角大，且導(dǎo)葉反流道的擴(kuò)散度較大，流道內(nèi)逆壓梯度大，在靠近導(dǎo)葉出口的凸面，邊界層容易產(chǎn)生分離，進(jìn)而發(fā)展成脫流、漩渦等現(xiàn)象[8-9]，邊界層分離區(qū)的液體速度遠(yuǎn)小于主流速度，起阻塞作用，因此流動(dòng)損失較大。為得到更優(yōu)的導(dǎo)葉模型，筆者針對(duì)導(dǎo)葉反流道內(nèi)部的脫流、漩渦現(xiàn)象進(jìn)一步分析，對(duì)導(dǎo)葉流道進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 幾何模型及優(yōu)化方法

針對(duì)葉輪流道內(nèi)的漩渦、脫流等現(xiàn)象，眾多學(xué)者控制流道內(nèi)部脫流、漩渦現(xiàn)象的主要手段是改變?nèi)~片數(shù)量、葉片型線、包角等[10-12]，以改變流道的擴(kuò)散度。筆者針對(duì)上述新型空間導(dǎo)葉存在的不足，結(jié)合導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)和導(dǎo)葉流道過流面積變化規(guī)律，運(yùn)用改變導(dǎo)葉葉片型線的設(shè)計(jì)方法[13]，對(duì)導(dǎo)葉葉片后半部分進(jìn)行加厚處理，減小新型空間導(dǎo)葉反流道內(nèi)部的擴(kuò)散度，得到兩種新的導(dǎo)葉葉片模型(導(dǎo)葉V2、導(dǎo)葉V3)，原導(dǎo)葉葉片模型為V1。三種導(dǎo)葉葉片的三維模型見圖4。

4 數(shù)值模擬方法

圖5為用ICEM軟件建立的三維計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[14]。通過驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性表明，網(wǎng)格尺寸越小，有限元模擬的結(jié)果越容易收斂。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件[6]中，設(shè)定整個(gè)流道內(nèi)部的流場(chǎng)為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)黏性湍流流場(chǎng)，建立相對(duì)坐標(biāo)系下時(shí)均連續(xù)方程和動(dòng)量方程[15]，選用k-ε湍流兩方程，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)壁面進(jìn)行處理；進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，出口邊界條件為壓力自由出流；壓力速度采用SIMPLEC進(jìn)行耦合。當(dāng)離散方程的最大殘差小于10-4時(shí)，可認(rèn)為模擬收斂。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖6為三種導(dǎo)葉中間回轉(zhuǎn)流面速度矢量平面展開圖。

由圖6可以看出：整體上，從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口，三種導(dǎo)葉速度均不斷減小并趨于穩(wěn)定。加厚過的導(dǎo)葉V2、V3與原導(dǎo)葉V1相比，在導(dǎo)葉凸面的局部區(qū)域，葉片凸面脫流現(xiàn)象得到明顯改善，并被控制在靠近凸面很小的區(qū)域內(nèi)，整個(gè)流場(chǎng)流速均勻變化。對(duì)比加厚過的導(dǎo)葉V2和V3，可以看出兩個(gè)導(dǎo)葉流道內(nèi)脫流現(xiàn)象相差不大，但由于V3葉片厚度更大，其擴(kuò)散度更小。綜合分析，通過適度增加導(dǎo)葉葉片后半部分的厚度來減小新型空間導(dǎo)葉反流道內(nèi)部的擴(kuò)散度，有助于減輕導(dǎo)葉流道內(nèi)的脫流現(xiàn)象，使流道內(nèi)部流場(chǎng)更加穩(wěn)定均勻。

圖7為三種導(dǎo)葉從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口流線上總壓力變化趨勢(shì)(其中，L為導(dǎo)葉進(jìn)口到出口流線的相對(duì)沿程距離)。由圖7可以看出：在導(dǎo)葉進(jìn)口處，受葉輪旋轉(zhuǎn)和進(jìn)口沖擊等因素的影響，總壓力在進(jìn)口很小的區(qū)域內(nèi)波動(dòng)比較劇烈，之后三種導(dǎo)葉總壓力都隨流線不斷下降，在導(dǎo)葉出口達(dá)到最小。在流道的前半部分，三種導(dǎo)葉總壓力隨流線的變化趨勢(shì)基本一樣，而在流道的后半部分，導(dǎo)葉V1的總壓力下降相對(duì)比較劇烈，說明該導(dǎo)葉在此處損失較大，而導(dǎo)葉葉片型線改進(jìn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉V2和導(dǎo)葉V3總壓力下降相對(duì)平緩。對(duì)比導(dǎo)葉V2和V3，發(fā)現(xiàn)在流道后半部分，導(dǎo)葉V2總壓力下降幅度比導(dǎo)葉V3小，且下降更加平緩，說明導(dǎo)葉V2在此處水力損失更小，而導(dǎo)葉V3的葉片厚度較大，流道內(nèi)流速相對(duì)較快，造成流動(dòng)摩擦損失增大[16]。

圖8為導(dǎo)葉V1和V2中間流面流線分布圖。由圖8可以看出：葉片加厚前的導(dǎo)葉V1反流道內(nèi)流線主要集中在靠近凹面區(qū)域，在導(dǎo)葉凸面區(qū)域有明顯的漩渦現(xiàn)象，這是由于流體進(jìn)入反導(dǎo)葉時(shí)因轉(zhuǎn)彎段過于平坦而積聚于反導(dǎo)葉凹面附近，并帶動(dòng)凸面附近靜止的流體做反向運(yùn)動(dòng)而形成漩渦[17]，而優(yōu)化后的導(dǎo)葉V2流線在整個(gè)反流道內(nèi)分布均勻，漩渦現(xiàn)象得到明顯改善。為了提高效率，最終優(yōu)化方案選取損失最小的導(dǎo)葉V2。

5.2 最優(yōu)導(dǎo)葉流場(chǎng)分析

圖9為最優(yōu)導(dǎo)葉V2額定工況(即1.0倍體積流量工況)下不同回轉(zhuǎn)流面速度分布的平面展開圖，三個(gè)不同流面內(nèi)速度分布規(guī)律基本相同。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，靠近內(nèi)蓋板流面液體流動(dòng)速度最小，靠近外蓋板流面液體流動(dòng)速度最大，但三者相差不大，這是由慣性作用流體介質(zhì)靠近外蓋板流動(dòng)引起的；三個(gè)流面上導(dǎo)葉流道寬度分布略有不同，越靠近外蓋板的流面正導(dǎo)葉流道寬度越大，這是因?yàn)樾滦涂臻g導(dǎo)葉的過流斷面呈T形。

圖10為不同體積流量工況下導(dǎo)葉V2葉片進(jìn)口區(qū)域速度矢量圖。由圖10可以看出：三種工況下導(dǎo)葉進(jìn)口葉片處的流動(dòng)都比較均勻，在0.8倍體積流量工況，流體液流角略小于導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，進(jìn)口處存在一定沖擊現(xiàn)象。葉輪對(duì)流體做功, 流體由葉輪出口高速旋轉(zhuǎn)流出進(jìn)入導(dǎo)流殼, 在導(dǎo)流殼進(jìn)口附近流速較大, 主要為圓周方向分量。隨著體積流量增大，液體流速增大，葉輪出口液流角也隨之增大，在1.0倍和1.2倍體積流量工況下，流體液流角基本和導(dǎo)葉進(jìn)口安放角相同，實(shí)現(xiàn)了無沖擊入流，內(nèi)部未發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，證明了導(dǎo)葉進(jìn)口安放角設(shè)計(jì)的合理性[18]。

圖11是不同體積流量工況下導(dǎo)葉V2中間流面的速度矢量圖。在三種體積流量工況下反導(dǎo)葉葉片凸面的速度略小于凹面的速度，這與正導(dǎo)葉內(nèi)凹凸面速度變化保持一致。體積流量越大，導(dǎo)葉流道內(nèi)液體的流動(dòng)速度也越大；反導(dǎo)葉出口處由于流道由徑向往軸向過渡，所以流動(dòng)方向逐步與軸向方向一致[19]。由圖11可以看出：在導(dǎo)葉反流道凸面都存在一定脫流現(xiàn)象，但區(qū)域很小，對(duì)整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)影響較小。

圖12為額定體積流量工況(即1.0倍體積流量工況)下導(dǎo)葉V2出口處的速度分布圖。由圖12可以看出：導(dǎo)葉V2出口速度分布均勻，沒有漩渦、回流等現(xiàn)象，液體流動(dòng)方向垂直進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)口，基本消除了速度環(huán)量，為下一級(jí)葉輪提供了均勻的速度場(chǎng)。

圖13為導(dǎo)葉V2中間流面湍動(dòng)能分布圖，整個(gè)導(dǎo)葉流道的湍動(dòng)能都集中在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)，在導(dǎo)葉進(jìn)口區(qū)域，湍動(dòng)能梯度相對(duì)較大，而在導(dǎo)葉反流道內(nèi)湍動(dòng)能基本沒有變化?？傮w上導(dǎo)葉V2能量損失較小，只在導(dǎo)葉進(jìn)口處的葉片附近存在一定的水力損失，這是由于導(dǎo)葉進(jìn)口流速較大，流體與葉片和蓋板間流動(dòng)摩擦損失較大。

導(dǎo)葉V2軸截面靜壓分布圖見圖14。由圖14可以看出：流體進(jìn)入正導(dǎo)葉后，由于正導(dǎo)葉的擴(kuò)散作用，使流體的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能，靜壓沿流動(dòng)方向逐漸升高，并在導(dǎo)葉頂端正反導(dǎo)葉過渡部分達(dá)到最大值，進(jìn)入反導(dǎo)葉后由于沿程水力損失，靜壓略有降低。整體上壓力變化均勻，沒有局部壓力波動(dòng)，特別是在正反導(dǎo)葉過渡部分，流體靜壓均勻增加。在導(dǎo)葉出口轉(zhuǎn)彎處，壓力梯度較大，這是由于導(dǎo)葉轉(zhuǎn)彎處上下蓋板處液體流速分布不同。經(jīng)過轉(zhuǎn)彎段與反導(dǎo)葉后的流體完成了動(dòng)能向壓力能的轉(zhuǎn)換，速度得以降低，這樣可以保證流體進(jìn)入下一級(jí)葉輪時(shí)的流速基本保持一致，導(dǎo)葉的導(dǎo)流作用得以體現(xiàn)[20]。

5.3 優(yōu)化前后多級(jí)離心泵外特性對(duì)比

圖15是新型空間導(dǎo)葉優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果的體積流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比。兩種導(dǎo)葉單級(jí)揚(yáng)程都隨著體積流量的增加逐漸降低，優(yōu)化后的導(dǎo)葉V2的體積流量-揚(yáng)程曲線變化趨勢(shì)比優(yōu)化前的導(dǎo)葉V1變化更加平穩(wěn)，在小體積流量工況下，導(dǎo)葉V1的單級(jí)揚(yáng)程比導(dǎo)葉V2高3 m，而在1.4倍體積流量工況下，導(dǎo)葉V1的單級(jí)揚(yáng)程比導(dǎo)葉V2低將近20 m，由此看出，優(yōu)化后的導(dǎo)葉能夠在更寬的體積流量工況下滿足揚(yáng)程設(shè)計(jì)要求。

圖16是新型空間導(dǎo)葉優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果的體積流量-效率曲線對(duì)比。兩種導(dǎo)葉體積流量-效率曲線走勢(shì)基本相同，但是優(yōu)化后模型的泵效率明顯高于優(yōu)化前模型的泵效率。在小體積流量工況下，兩種泵效率曲線相差較小，隨著體積流量增大差別逐漸加大，在1.0倍體積流量和1.2倍體積流量工況附近兩種泵效率差別較大，導(dǎo)葉V2的泵效率比導(dǎo)葉V1高出5%左右，說明優(yōu)化后的導(dǎo)葉在額定工況和大體積流量工況優(yōu)勢(shì)更加明顯。

通過數(shù)值模擬得到的新型高壓多級(jí)離心泵外特性曲線對(duì)比可以得出，優(yōu)化后的導(dǎo)葉V2的水力性能明顯優(yōu)于導(dǎo)葉V1。

6 結(jié)語

(1) 通過分析優(yōu)化模型的內(nèi)部流場(chǎng)和導(dǎo)葉流道的變化規(guī)律，借助數(shù)值模擬，運(yùn)用改變導(dǎo)葉葉片型線的方法對(duì)導(dǎo)葉葉片厚度進(jìn)行調(diào)整，使導(dǎo)葉流道的設(shè)計(jì)更加合理，改善了導(dǎo)葉流道內(nèi)的脫流現(xiàn)象和導(dǎo)葉凸面區(qū)域的漩渦現(xiàn)象，在一定程度上削弱了二次流的影響，減少了能量的耗散，內(nèi)部流場(chǎng)更加均勻穩(wěn)定，水力損失更小。

(2) 對(duì)優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果的體積流量-揚(yáng)程曲線和體積流量-效率曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出多級(jí)離心泵的外特性有一定的提高，優(yōu)化后的導(dǎo)葉能夠在更寬的體積流量工況下滿足揚(yáng)程設(shè)計(jì)要求，并且在大體積流量工況下優(yōu)勢(shì)更加明顯，該優(yōu)化結(jié)果可為探索導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)規(guī)律、改善內(nèi)部流動(dòng)狀況、進(jìn)一步提高多級(jí)泵的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性提供參考。