基于數(shù)值模擬的軸流泵效率分析

吳 輝 殷 旺 楊可樂 陽 勇 滕 磊 劉 婷

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 前言

軸流泵一般是用于城市給排水、農(nóng)業(yè)灌溉等低揚(yáng)程、大流量的情況[1]。軸流泵在設(shè)計(jì)工況下可以高效、穩(wěn)定運(yùn)行，但當(dāng)其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)能量性能下降、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)劇烈等問題?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速等方法，對(duì)水泵運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行改變，使原額定轉(zhuǎn)速下的非設(shè)計(jì)工況可以轉(zhuǎn)為較優(yōu)運(yùn)行工況。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)軸流泵的比轉(zhuǎn)速為500r/min～2 000r/min 時(shí)，其動(dòng)力性能較好[2]。

首先，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要求軸流泵在不同的環(huán)境中盡量保持較高的工作效率，不會(huì)因地理環(huán)境天氣氣候等自然因素，導(dǎo)致無法正常工作或者減少軸流泵的使用壽命，不能對(duì)環(huán)境造成過度污染，使自然動(dòng)物植物的生活環(huán)境被破壞；其次，軸流泵材料的材質(zhì)以及零件的精度都要準(zhǔn)確無誤；再次，大型關(guān)鍵軸流泵的要求更高，一旦出現(xiàn)事故就可能造成巨大的損失。總之，要求軸流泵能夠廣泛適用于多種情況，還要盡可能地提高軸流泵的工作效率，使其具有節(jié)約能源的特點(diǎn)，同時(shí)要保證軸流泵能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在復(fù)雜環(huán)境下不出現(xiàn)大的故障[3]。

1 軸流泵的基本構(gòu)造

軸流泵內(nèi)部有葉輪旋轉(zhuǎn)，泵的外殼直徑和吸水口處的直徑相近。

1.1 吸入管

吸入管是軸流泵吸水的管子，一般是喇叭管，主要是為了讓流體可以更好地進(jìn)入軸流泵。

1.2 葉輪

葉輪是軸流泵最重要的部分之一，對(duì)軸流泵的工作效率有很大的影響。一個(gè)好的葉輪往往可以大大提升一個(gè)軸流泵的效率。軸流泵的葉輪是軸流泵中的一個(gè)轉(zhuǎn)輪,按照其是否能調(diào)節(jié)可分為3 種：不能調(diào)節(jié)的固定式和可以調(diào)節(jié)的半調(diào)式以及可以調(diào)節(jié)的全調(diào)式。一般來說不能調(diào)節(jié)的固定式葉輪會(huì)在一些固定的情況中使用，而半調(diào)式與全調(diào)試就是角度的開展問題，擁有這種葉輪的軸流泵更加復(fù)雜，可適用的情況也更多。全調(diào)式的葉輪一般適用于大型的軸流泵，要面對(duì)的工作環(huán)境復(fù)雜且易變，需要通過改變?nèi)~輪角度的方法，使軸流泵可以更好地工作，從而發(fā)揮其穩(wěn)定的工作效率。

1.3 導(dǎo)葉

導(dǎo)葉會(huì)安裝在葉輪泵殼上。在軸流泵中，流體隨著軸流泵管內(nèi)結(jié)構(gòu)的不斷運(yùn)動(dòng)而做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。葉片是固定在泵殼上不動(dòng)的，水流經(jīng)過葉片時(shí)，就消除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，把旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能變?yōu)閴毫δ?。軸流泵一般擁有6～12 片葉片。軸流泵葉片的作用就是改變?nèi)~輪中向上流出的流體的運(yùn)動(dòng)方式，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng)。

1.4 軸和軸承

軸流泵的泵軸主要是用來傳遞扭矩，而軸承的形狀較多，大部分形狀設(shè)計(jì)的目的是讓軸與軸承之間的運(yùn)動(dòng)更加靈活，更加符合軸和軸承的功能。軸承的第一個(gè)功能是導(dǎo)軸承，主要是保證軸流泵能夠承受足夠的徑向力，從而起到軸流泵徑向穩(wěn)定的作用；第二個(gè)功能是推力軸承，是軸流泵用來承受水流壓力沖擊的核心部件，水流壓力通過葉片旋轉(zhuǎn)將向下的重力轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，軸流泵轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定了轉(zhuǎn)輪的泵內(nèi)位置，將流體的重力與轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)勢(shì)能傳到軸流泵的下個(gè)組件。

1.5 密封裝置

密封裝置通常設(shè)置在軸流泵出水口上連接的彎曲管軸孔處，就我國(guó)目前的狀況來看，密封裝置的材料通常是壓蓋填料型。軸流泵及混流泵都是葉片式，泵中比、轉(zhuǎn)速比較高的水泵，它們的特點(diǎn)是屬于中、大流量和中、低揚(yáng)程，特別是軸流泵，揚(yáng)程一般僅為4 m～15 m。軸流泵在城市給水排水工程中發(fā)揮了重要作用，軸流泵解決了火力發(fā)電站廢水排放、城市排污排澇以及引入工程中的一些大型泵站性能提升的問題，在這些地方軸流泵的適用性強(qiáng)，能解決許多問題。

在軸流泵工作時(shí)，水流會(huì)浸沒機(jī)翼，水流在機(jī)器內(nèi)快速流動(dòng)時(shí)，翼面會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓力，翼背會(huì)產(chǎn)生正壓力，壓力在機(jī)翼上運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)角度時(shí)，及迎角會(huì)隨著流體速度的變化而改變。

在軸流泵工作時(shí)，流體不動(dòng)或者水流速度太小，而機(jī)翼以相等速度在流體中運(yùn)動(dòng)，翼背和翼面受到與之前相同的正壓和負(fù)壓，即翼面（機(jī)翼上面）為負(fù)壓，翼背為正壓。在該壓力作用下機(jī)翼將獲得升力。

將機(jī)翼形的槳葉固定在轉(zhuǎn)軸上，形成螺旋槳，并使之不能沿軸向移動(dòng)，當(dāng)軸流泵的轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，翼面（螺旋槳下側(cè)）因負(fù)壓力而產(chǎn)生吸流作用，翼背因正壓力而產(chǎn)生排流作用，軸流泵的翼面因受壓力的牽引，軸流泵的翼面在水流中一吸一排，進(jìn)而形成了液體的流動(dòng)。

軸流泵的運(yùn)行主要分為3 個(gè)步驟：充水、啟動(dòng)和停止。

1.6 充水

在中、小型軸流泵中，特別是臥式軸流泵或小型立式軸流泵，這2 種軸流泵的機(jī)器大都安裝在高于水面的位置上，因此，它在開始啟動(dòng)以前，泵殼和吸入喇叭口沒有把水充滿，無法直接開啟軸流泵，需要先把水充滿。同樣，在有空氣存在的情況下，軸流泵的泵內(nèi)空間和吸入管就無法形成真空。因此，一般都需要另設(shè)1 臺(tái)或幾臺(tái)電動(dòng)真空泵來輔助軸流泵運(yùn)行啟動(dòng)，利用它們將軸流泵的泵殼和吸入喇叭口里面的空氣抽出來，形成真空條件，從而達(dá)到充水的目的。

大型立式軸流泵一般都安裝在低于水面的位置，因此泵殼、葉輪和吸入喇叭口均浸沒在液體中，無須在起動(dòng)前先充滿水，也不需要電動(dòng)真空泵抽真空來輔助軸流泵的啟動(dòng)，軸流泵便能迅速啟動(dòng)，這也是軸流泵的特點(diǎn)之一，有利于達(dá)到自動(dòng)啟動(dòng)程序的目的。

1.7 啟動(dòng)

軸流泵的啟動(dòng)與離心泵相似，沒有太大區(qū)別。軸流泵和離心泵的區(qū)別是各種類型的離心泵在啟動(dòng)時(shí)，出口閥門都處在關(guān)閉狀態(tài)，而軸流泵的出口閥門則在開啟狀態(tài)。軸流泵的啟動(dòng)方式與離心泵差別很小，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是軸流泵在運(yùn)行工作的過程中，當(dāng)流量為0 時(shí)，軸流泵的功率會(huì)達(dá)到額定功率的2 倍或2 倍以上；軸流泵功率過大，會(huì)加快軸流泵零件汽蝕的產(chǎn)生，軸流泵的功率一旦過大，流體的入口角和相對(duì)葉輪葉片的偏離角就會(huì)增大，葉片會(huì)因所受水流沖擊力大而引起脫流現(xiàn)象，只有在軸流泵達(dá)到一定的水力效率時(shí)，軸流泵的汽化腐蝕才會(huì)降低。

1.8 停止

軸流泵工作結(jié)束后，葉片停止運(yùn)行。

2 fluent建模與設(shè)置

2.1 泵效率計(jì)算

泵效率如公式（1）所示。

式中：η為水泵效率；P為軸功率；Pe為泵有效功率。

2.2 控制方程

軸流泵內(nèi)流場(chǎng)采用RNG k-ε 湍流模型進(jìn)行計(jì)算，模型的控制方程如公式（2）所示，動(dòng)量方程如公式（3）所示。

連續(xù)性方程如公式（4）所示。

湍動(dòng)能k方程如公式（5）～公式（6）所示。

k-ε模型常數(shù)為Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.00，σs=1.30。

2.3 軸流泵幾何模型

軸流泵在工作時(shí)將機(jī)翼懸掛在流體中，流體以一定速度流過時(shí)，翼面會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，翼背會(huì)產(chǎn)生正壓，在軸流泵正、負(fù)壓力的大小與翼形、迎角（葉片背面和液流方向之間的傾角）以及流體速度的大小有關(guān)。如果流體不動(dòng)，機(jī)翼以相等速度在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)使翼背和翼面受到與之前相同的正壓和負(fù)壓，即翼面（機(jī)翼上面）為負(fù)壓，翼背為正壓；在該壓力的作用下，機(jī)翼將獲得升力。如果將機(jī)翼形的槳葉固定在轉(zhuǎn)軸上，形成螺旋槳，使其不能沿軸向移動(dòng)，那么當(dāng)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，翼面（螺旋槳下側(cè)）就會(huì)因負(fù)壓而發(fā)揮吸引流向的作用，翼背會(huì)因正壓而發(fā)揮排流作用，一吸一排造成了液體（或氣體）的流動(dòng)[4-6]。

圖1 是軸流泵的三維模型示意圖，葉輪的進(jìn)口直徑為590 mm，葉輪軸直徑為175 mm，進(jìn)口段長(zhǎng)度為200 mm，出口段長(zhǎng)度為100 mm，葉片數(shù)為5，設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速為780 r/min，揚(yáng)程為6.1 m，流量為5 315 m3/h。

圖1 軸流泵模型圖

2.4 邊界條件設(shè)置

當(dāng)軸流泵裝置在初始化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下運(yùn)行時(shí)，軸流泵工作高效、穩(wěn)定，但當(dāng)其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軸流泵裝置運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量效率降低、受力不平均和高頻率抖動(dòng)等很多不穩(wěn)定因素。該文主要通過fluent 軟件模擬軸流泵的工作原理，然后通過調(diào)節(jié)出口壓力和調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速的參數(shù)來改變軸流泵裝置運(yùn)行的工況點(diǎn)，使得在轉(zhuǎn)速不變的非標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行情況下，正常運(yùn)行的軸流泵的效率不會(huì)降太多或者在軸流泵出口壓力不變時(shí)通過改變轉(zhuǎn)速得出軸流泵的最優(yōu)工作效率。

由于葉輪具有周期性，因此簡(jiǎn)化計(jì)算模型，取葉輪的1/5 進(jìn)行研究。采用單流道周期性邊界模型來計(jì)算葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，設(shè)置進(jìn)口邊界inlet、出口邊界outlet、輪轂面hub，機(jī)匣面shroud、周期性邊界periodic 以及葉片blade，如圖2 所示。

圖2 邊界條件

2.5 求解器設(shè)置

求解器采用基于壓力耦合方程組的隱式求解器，該擴(kuò)散項(xiàng)是由中心差分格式進(jìn)行離散，離散系統(tǒng)由高斯-賽德爾迭代法計(jì)算，并且時(shí)間離散迭代方法使用多個(gè)Runge-Kutta 顯式格式迭代，所有的對(duì)流項(xiàng)均使用精度較高的二階迎風(fēng)格式離散求解。由于軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，因此選擇RNG作為湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

3 模擬結(jié)果

3.1 泵效率流量性能曲線

在不同的出口壓力下，軸流泵的效率隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變，當(dāng)背壓為125 000 Pa 和130 000 Pa 時(shí)，軸流泵的轉(zhuǎn)速-效率關(guān)系如圖3 所示。

圖3 背壓-轉(zhuǎn)速-效率曲線

由圖3 可知，背壓為125 000 Pa 時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，軸流泵效率也隨之增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到860 r/min 時(shí)，達(dá)到頂峰，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，軸流泵的效率反而下降，這是因?yàn)槔^續(xù)提高轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致高速流體與泵摩擦消耗的能量大幅度增加。背壓為130 000 Pa、軸流泵轉(zhuǎn)速為940 r/min 時(shí)，效率達(dá)到頂點(diǎn)，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，反而導(dǎo)致效率降低。比較2 條曲線可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于920 r/min 時(shí)，相同轉(zhuǎn)速的軸流泵在不同背壓環(huán)境下，效率具有較大差別。

3.2 葉輪壓力分布云圖

圖4 為125 000 Pa 背壓下葉輪壓力云圖，從圖4 中可以看出葉片前緣的壓力明顯高于葉片后緣的壓力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片整體的顏色趨于淺色，說明葉片所受壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。轉(zhuǎn)速越快，葉輪傳遞給流體的動(dòng)能越大，所受反作用力也越大，符合流體力學(xué)。

圖4 125 000 pa 葉輪壓力云圖

圖5 為130 000 Pa 背壓下葉輪壓力云圖，從圖5 中可以看出基本規(guī)律與圖4 基本相同，對(duì)比圖4 和圖5，130 000 Pa背壓下葉輪的壓力明顯小于125 000 Pa背壓下葉輪所受的壓力，這是因?yàn)楸硥涸酱螅黧w在出口時(shí)所受反向壓力越大，抵消了一部分葉輪提供的動(dòng)能。

圖5 130 000 Pa 葉輪壓力云圖

4 結(jié)論

該文通過基于不同背壓的軸流泵的流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了軸流泵內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律及軸流泵的背壓、轉(zhuǎn)速與效率之間的關(guān)系線。結(jié)果表明，在相同的背壓下，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)軸流泵的效率有較大影響，且不同背壓對(duì)軸流泵的最大效率也有影響：1）當(dāng)背壓為125 000 Pa 時(shí)，轉(zhuǎn)速為860 r/min 的軸流泵效率最高，約為93.64%。2）當(dāng)背壓升到130 000 Pa 時(shí)，軸流泵在轉(zhuǎn)速為900 r/min 時(shí)效率最高，約為92.72%。3）葉片在130 000 Pa 背壓環(huán)境比在125 000 Pa 背壓環(huán)境下所受的壓力更小。