葉片式油氣混輸泵建模及性能研究

葛秦龍

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在煤炭開采過程中會出現(xiàn)對油和水同時進(jìn)行輸運(yùn)的情況，因此排水系統(tǒng)中需要能同時進(jìn)行輸送氣液兩相的設(shè)備。目前在排水輸運(yùn)系統(tǒng)中常用的油氣混輸泵有兩種：雙螺桿式油氣混輸泵和葉片式油氣混輸泵。雙螺桿式混輸泵在輸送氣液兩相流動時穩(wěn)定性較好，但輸送流量不大，容易受到顆粒的影響，維修不方便，使用壽命較低[1]。葉片式油氣混輸泵可輸運(yùn)有較高氣相含量的兩相流動，結(jié)構(gòu)簡單維修方便，抗汽蝕能力較好且對固體顆粒等不敏感，因此應(yīng)用更廣泛[2]。肖文揚(yáng)模擬研究了4種進(jìn)口含氣率下混輸泵的性能，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口含氣率的增大使得葉輪及導(dǎo)葉的徑向力主頻幅值和偏心程度增大[3]。馬希金等分析了動、靜葉片軸向間隙對揚(yáng)程、效率的影響，發(fā)現(xiàn)改變動、靜葉片軸向間隙會導(dǎo)致混輸泵揚(yáng)程的變化，最后在4組間隙中找到了一組性能最佳的混輸泵[4]。余志毅對葉片式混輸泵的氣液兩相流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明葉輪進(jìn)口處有渦旋存在，對葉輪采用較小的徑向尺寸可以較好地避免流道內(nèi)的氣堵[5]。張明輝通過對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使得葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)更加合理，說明了葉片結(jié)構(gòu)型式的重要性[6]。楊欣葉通過研究葉輪的結(jié)構(gòu)型式對水泵性能的影響，分析水泵葉輪型式的發(fā)展趨勢，說明了葉輪型式對水泵性能有著重要的影響[7]。

本文分別對兩種葉片結(jié)構(gòu)型式的油氣混輸泵進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析對比其結(jié)果以及研究其各自的性能，得出具有較高水力性能的油氣混輸泵，對應(yīng)用在排水系統(tǒng)中的油氣混輸泵葉片結(jié)構(gòu)型式的選取提供參考。

1 油氣混輸泵壓縮單元建立

葉片式油氣混輸泵的設(shè)計參數(shù)設(shè)定為：額定流量Q=100 m3/h，額定揚(yáng)程H=30 m，額定轉(zhuǎn)速n=4 500 r/min。根據(jù)設(shè)計參數(shù)對油氣混輸泵的壓縮單元進(jìn)行設(shè)計并建模，壓縮單元主要包括葉輪和整流器。葉輪為主要做功部件，氣液兩相介質(zhì)因葉輪的旋轉(zhuǎn)作用而具有一定的動能，進(jìn)出口處的流體形成了能量差[8]。整流器對流出葉輪的兩相流動進(jìn)行整流消旋，對氣液兩相起到再次混合作用[9]。

采取兩種葉片結(jié)構(gòu)型式對葉輪進(jìn)行設(shè)計并建模，第一種為葉片輪轂側(cè)至輪緣側(cè)翼型的轉(zhuǎn)動中心在不同圓周面上的軸向位置一致，即葉輪1。第二種為輪轂側(cè)至輪緣側(cè)翼型的轉(zhuǎn)動中心軸向位置不同，因此葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即葉輪2。葉片式油氣混輸泵的兩種葉輪結(jié)構(gòu)及整流器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。葉輪結(jié)構(gòu)圖中的角度γ為葉片與輪轂側(cè)形成的扭角，由圖1可看出葉輪2的扭角比葉輪1的扭角小，其葉片尾緣向輪轂側(cè)發(fā)生了傾斜。

(a)

圖2 整流器模型

圖3為油氣混輸泵壓縮單元模型，分別在葉輪前和導(dǎo)葉后安裝一段直段結(jié)構(gòu)的進(jìn)出水段，使得流體穩(wěn)定進(jìn)入葉輪，以及使流出導(dǎo)葉的流體有較好的出流條件。

圖3 壓縮單元模型

在對流體域進(jìn)行劃分網(wǎng)格時，需要對壓縮單元的水體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇適用性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對不同葉輪模型的壓縮單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格被廣泛地用于對幾何模型的劃分[11]，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)規(guī)則的進(jìn)、出水段進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并基于可以對流場進(jìn)行較好的仿真分析的FLUENT軟件分別對其進(jìn)行數(shù)值計算[12]。對葉輪、導(dǎo)葉以及進(jìn)、出水段劃分之后的網(wǎng)格如圖4、圖5以及圖6所示。

圖4 葉輪水體網(wǎng)格

圖5 導(dǎo)葉水體網(wǎng)格

圖6 進(jìn)、出水段網(wǎng)格

2 油氣混輸泵外特性參數(shù)

油氣混輸泵的基本外特性參數(shù)為揚(yáng)程和效率，該參數(shù)可作為兩相泵的性能評價指標(biāo)[13]，其計算公式為：

(1)

式中:ρm為氣液兩相介質(zhì)的混合密度，取ρm=499.71 kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；Δp為油氣混輸泵進(jìn)出口壓力差，Pa。

進(jìn)出口壓力差Δp為：

Δp=p2-p1

(2)

式中：p1為油氣混輸泵進(jìn)口處的壓力；p2為油氣混輸泵出口處的壓力。

其效率的計算公式為：

(3)

式中：Q為油氣混輸泵的流量，Q=100 m3/h；M為氣液兩相介質(zhì)的扭矩；ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 外特性分析

油氣混輸泵的模擬工況為額定流量，額定轉(zhuǎn)速及入口氣相體積分?jǐn)?shù)為50%。分別選用水和空氣作為模擬的主相和次相，主相和次相的體積分?jǐn)?shù)分別為其在總體積流量中所占的比重。多相流模型選取為歐拉模型，湍流模型選取為SST k-ω模型。計算域的進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，給定進(jìn)口速度為3.4 m/s，假設(shè)進(jìn)口處的兩相分布均勻且速度相等[14]。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力的參考值為一個大氣壓值。壁面滿足無滑移條件，對近壁面區(qū)域的流動采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法約束[15]，收斂殘差設(shè)置為10-5。

采用以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計算，對不同葉輪結(jié)構(gòu)型式的油氣混輸泵進(jìn)行性能預(yù)測，得出其外特性參數(shù)如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可看出，葉輪方案為第2種的油氣混輸泵水力性能較好，其揚(yáng)程和效率均比第1種葉輪方案的油氣混輸泵高。揚(yáng)程與油氣混輸泵的進(jìn)出口壓力差有關(guān)系，葉輪為主要的做功部件，氣液兩相流體流經(jīng)葉輪而使得進(jìn)出口流體具有不同的壓力，形成了壓力差，因此揚(yáng)程可以反映葉輪的增壓能力。油氣混輸泵的效率越高，代表其流動過程中的損失越小，其能量轉(zhuǎn)化的有效程度越高。通過讀取油氣混輸泵進(jìn)出口處的壓力值，將其代入公式(2)中計算出進(jìn)出口壓差，再代入公式(1)中可得混輸泵的揚(yáng)程。將讀取的扭矩值代入公式(3)可計算出混輸泵的效率值。由表1可看出，葉輪2的增壓能力強(qiáng)于葉輪1，葉輪2方案的油氣混輸泵將氣液兩相介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化為有效能量的效率較高。

表1 油氣混輸泵外特性

3.2 內(nèi)流場分析

油氣混輸泵的外特性往往與其內(nèi)流場特性有直接關(guān)系，因此對兩種葉輪方案的內(nèi)流場進(jìn)行分析。圖7為兩種葉輪流道內(nèi)氣相分布的軸面投影圖，其可以反映出葉輪流道軸面方向的氣液兩相分布狀態(tài)。圖中左側(cè)為葉輪的進(jìn)口方向，右側(cè)為葉輪的出口方向，上側(cè)為輪緣，下側(cè)為輪轂。由圖中可看出，兩種葉輪方案流道內(nèi)輪轂側(cè)的氣相含量均從進(jìn)口至出口方向呈現(xiàn)增大的趨勢，至出口處達(dá)到最大氣相體積分?jǐn)?shù)值。在葉輪出口處位置，沿著輪緣側(cè)至輪轂側(cè)方向，氣相含量依然呈現(xiàn)增大的趨勢。并且可看出，輪緣側(cè)流道內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)較低，液相體積分?jǐn)?shù)較高，輪轂側(cè)則氣相體積分?jǐn)?shù)較高，液相體積分?jǐn)?shù)較低，氣液兩相介質(zhì)在葉輪尾部流道內(nèi)相態(tài)分離的現(xiàn)象最嚴(yán)重。但是，葉輪2流道內(nèi)氣相含量最大的區(qū)域比葉輪1流道內(nèi)氣相含量最大的區(qū)域小，說明葉輪2流道內(nèi)的氣液兩相發(fā)生相態(tài)分離的程度比葉輪1低。

圖7 葉輪流道軸面氣相分布

從圖7的橫向方向及縱向方向上流道內(nèi)的氣相分布狀態(tài)可知，氣相在葉輪流道內(nèi)的靠近輪轂側(cè)的出口處區(qū)域含量最高，這有可能是由于氣液兩相介質(zhì)的密度差而導(dǎo)致其受到的離心力有差異。離心力與介質(zhì)的密度有關(guān)系，密度越大則介質(zhì)受到的離心力較大，因此密度較大的液相受到較大的離心力作用，從而趨向于輪緣方向運(yùn)動。沿著輪轂側(cè)向輪緣側(cè)的縱向葉高方向，將葉輪流道分為10份，其中0.1倍葉高面最接近于輪轂側(cè)，0.9倍葉高面最接近于輪緣側(cè)。因此，選取兩種葉輪方案的最接近于輪轂側(cè)的流面，即0.1倍葉高面，對葉輪圓周面上的氣相分布情況進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8中左側(cè)為葉輪進(jìn)口方向，右側(cè)為葉輪出口方向。由圖8可知葉輪流道內(nèi)氣相含量較高的位置在軸向上與圖7中的位置保持了相似性。葉輪2流道內(nèi)氣相含量最高的區(qū)域面積比葉輪1的小，并且兩種方案葉輪流道內(nèi)氣相始終在葉片背面含量較高，而在靠近葉片工作面的區(qū)域及流道入口區(qū)域附近含量與入口氣相體積分?jǐn)?shù)接近，保持在50%左右。這說明沿著葉輪軸向，流道內(nèi)的氣液兩相介質(zhì)慢慢發(fā)生分離，氣相在輪轂側(cè)慢慢聚集，最終在出口處的葉片背面區(qū)域發(fā)生了完全分離。葉輪2流道內(nèi)的完全分離現(xiàn)象弱于葉輪1，因此其具有更好的對氣液兩相介質(zhì)的輸送能力，結(jié)合外特性可看出，采用葉輪2的葉片結(jié)構(gòu)型式，使得葉片與輪轂側(cè)形成的扭角γ更小，油氣混輸泵的外特性及對兩相介質(zhì)的輸送能力更高。

圖8 0.1倍葉高處氣相分布

4 結(jié)論

本文選用歐拉多相流模型及SST k-ω湍流模型，借助FLUENT軟件對油氣混輸泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，對不同葉片結(jié)構(gòu)型式對其性能的影響進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用葉片與輪轂側(cè)形成的夾角更小的葉輪2方案的油氣混輸泵具有更高的揚(yáng)程和效率，具有更優(yōu)的水力性能，葉輪2方案的混輸泵揚(yáng)程相比于葉輪1的混輸泵增大了3.19%，揚(yáng)程增大了1.33%。兩種葉輪流道內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)較高的位置相似，均在靠近輪轂側(cè)的葉片背面出口處區(qū)域含量較高。且葉輪2流道內(nèi)氣相含量為1的區(qū)域面積比葉輪1小，葉輪2流道軸面上氣相聚集區(qū)域的面積約為葉輪1的50%，流道內(nèi)發(fā)生相態(tài)分離的現(xiàn)象較葉輪1弱，說明葉輪2具有更好的輸送氣液兩相流動的能力。