轉(zhuǎn)子螺旋槽結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵水力性能的影響

柴 博，董 浩，李文華

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外研究的葉輪轉(zhuǎn)子同軸型離心泵主要有普通正循環(huán)型、反向循環(huán)輔助葉輪型、外接冷卻管路型等幾種典型構(gòu)型[1-8]。

根據(jù)李海博[9]的研究，普通正循環(huán)型離心泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工難度較低，配合背葉輪和平衡孔等可以獲得可靠的動(dòng)平衡，但由于存在出口回流，因此有一定的水力效率損失，大約為5%～10%。劉在倫等[10]研究的反向循環(huán)輔助葉輪型離心泵對(duì)于軸向力的平衡可靠性較高，但采用輔助葉輪結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)泵的能量損耗大，且加工難度較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由文獻(xiàn)[10]可知，目前有多種軸向力平衡方法，但不同平衡方法加工難度、可靠性、平衡效果均不同，且都增加了結(jié)構(gòu)，暫未有一種不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)能獲得很好軸向力平衡的方法。

由以上內(nèi)容可知傳統(tǒng)單級(jí)葉輪轉(zhuǎn)子同軸型離心泵一般有如下特點(diǎn)：中大型泵，比轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速較低，內(nèi)部有多種軸向力平衡裝置。但目前對(duì)于高速（一般轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以上）、小型（長(zhǎng)度在30 mm內(nèi)）、輕量化（2 kg內(nèi)）的小比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵研究較少，且大部分研究都是離心泵平衡孔、后泵腔寬度、背葉片參數(shù)等對(duì)離心泵性能的影響。

通過(guò)對(duì)幾種典型的離心泵優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的單級(jí)高速小比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪轉(zhuǎn)子同軸型離心泵，該泵軸向力平衡好、動(dòng)力損失小、水力效率高、揚(yáng)程高、散熱性較好。

1 轉(zhuǎn)子螺旋槽型離心泵設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子螺旋槽型離心泵的三維模型如圖1所示，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 轉(zhuǎn)子螺旋槽離心泵內(nèi)部裝配Fig.1 Internal assembly diagram of rotor spiral groove centrifugal pump

表1 離心泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)Tab.1 Centrifugal pump design performance parameters

采用一種轉(zhuǎn)子開(kāi)雙側(cè)180°對(duì)稱(chēng)布置螺旋槽的結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)型離心泵電機(jī)內(nèi)的副葉輪，該結(jié)構(gòu)使得螺旋槽所產(chǎn)生的軸向力與葉輪產(chǎn)生的軸向力相互抵消大部分[11-17]，可以減少電機(jī)能量損失，還可以增加電機(jī)內(nèi)流體介質(zhì)循環(huán)速度，提高散熱性，泵體采用集成泵體和半開(kāi)式葉輪，在減少軸向力的同時(shí)還減小了總體重量和尺寸。軸承板上開(kāi)斜通孔，在葉輪上開(kāi)平衡孔，與葉輪平衡孔形成壓力差，增加了揚(yáng)程與水力效率。

2 流體域模型與數(shù)值研究方法

2.1 研究對(duì)象

以No.2-36單級(jí)小比轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)子螺旋槽型離心泵作為研究對(duì)象，由No.1-36型傳統(tǒng)無(wú)螺旋槽的普通型離心泵作為比對(duì)對(duì)象。

2.2 泵水力性能理論基礎(chǔ)

泵的揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

式中 H——揚(yáng)程；

P1，P2——泵進(jìn)、出口的壓力；

ρ——流體密度；

g——重力加速度；

C1，C2——泵進(jìn)、出口的速度；

Z1，Z2——泵進(jìn)、出口高度。

離心泵有效軸功率計(jì)算公式：

式中 P——有效軸功率，W。

2.3 流體域模型與邊界條件設(shè)置

通過(guò)SolidWorks軟件進(jìn)行離心泵流體域建模，該水力模型由進(jìn)口水域、葉輪水域、蝸殼水域、交換孔水域、轉(zhuǎn)子水域等幾部分構(gòu)成，得到2種型號(hào)流體域模型，如圖2所示。

圖2 流體域模型Fig.2 Fluid domain diagrams

采用FLUENT軟件對(duì)離心泵進(jìn)行水力數(shù)值模擬，離心泵內(nèi)部流動(dòng)為三維定常不可壓縮的湍流流動(dòng)，采用壓力求解器，穩(wěn)態(tài)分析，絕對(duì)速度公式，材料選用RP-3燃油，由于是旋轉(zhuǎn)域，根據(jù)任蕓等對(duì)不同工況流體域下的湍流模型研究，在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)下選用RNG k-ε湍流模型精度更高[18-21]，其湍流模型方程為：

邊界條件設(shè)置：選用壓力入口，質(zhì)量流出口，以適應(yīng)各種不同流量的工況，采用MRF單參考系旋轉(zhuǎn)模型設(shè)定葉輪和轉(zhuǎn)子流體域?yàn)樾D(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速根據(jù)后文實(shí)驗(yàn)測(cè)定的轉(zhuǎn)速數(shù)值來(lái)設(shè)定，葉輪刀壁面與轉(zhuǎn)子壁面相對(duì)計(jì)算域是靜止的，設(shè)定為Relative to Adjacent Cell Zone，本數(shù)值模擬一共有5對(duì)耦合面：進(jìn)口流道與葉輪交界面、葉輪流道與蝸殼交界面、蝸殼流道與出口交界面、葉輪與交換孔交界面、交換孔與螺旋槽式轉(zhuǎn)子軸交界面，交界面設(shè)置為interface，其余壁面為靜止壁面，壁面函數(shù)默認(rèn)。求解器選用SIMPLE算法，松弛因子默認(rèn)，收斂精度為10-4。

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

流體域整體采用四面體網(wǎng)格，對(duì)轉(zhuǎn)子螺旋槽、隔舌、交換孔水域、葉輪刀壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密。在離心泵額定流量1.0 Qd和額定轉(zhuǎn)速下，對(duì)離心泵水體域模型網(wǎng)格從53萬(wàn)到286萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量分別進(jìn)行驗(yàn)證，由圖3可知當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為168萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程、效率數(shù)值趨于穩(wěn)定，認(rèn)為以取得與網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān)解，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為168萬(wàn)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后各流體域的網(wǎng)格類(lèi)型和網(wǎng)格數(shù)量，見(jiàn)表2。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence verification

表2 不同流體域網(wǎng)格劃分及數(shù)量Tab.2 Grid division and number of different fluid domains

3 水力性能仿真對(duì)比

通過(guò)FLUENT軟件仿真分析得到No.1-36型離心泵在額定工況下的靜動(dòng)壓、速度矢量云圖，如圖4，5所示；No.2-36型離心泵在額定工況的水力性能如圖6，7所示，2種型號(hào)泵在其他工況下的出口壓力、揚(yáng)程和有效功率如圖8所示。

圖4 No.1-36在1.0 Qd時(shí)全局動(dòng)、靜壓云圖Fig.4 Global dynamic and static pressure nephogram of No.1-36 at 1.0 Qd

圖5 No.1-36在1.0 Qd時(shí)全局速度矢量云圖Fig.5 Global velocity vector nephogram of No.1-36 at1.0 Qd

圖6 No.2-36在1.0 Qd時(shí)全局動(dòng)、靜壓云圖Fig.6 Global dynamic and static pressure nephogram of No.2-36 at 1.0 Qd

圖7 No.2-36在1.0 Qd時(shí)全局速度矢量云圖Fig.7 Global velocity vector nephogram of No.2-36 at 1.0 Qd

圖8 不同工況下2種型號(hào)泵的性能曲線(xiàn)Fig.8 Performance of two types of pumps under different working conditions

從圖可以看出，在各條件相同的情況下，No.2-36型泵相較于No.1-36型泵的出口壓力更大，整體壓力增大0.02 MPa，2型泵轉(zhuǎn)子螺旋槽內(nèi)靜壓比1型泵約低，但動(dòng)壓力提升約11%，具有較明顯的增壓作用。同時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)部流速約為17.6 m/s，提升了約為17.3%，內(nèi)部流體介質(zhì)斜向環(huán)形流動(dòng)，有更好的散熱性，揚(yáng)程整體約有3 m的提升，泵有效功率在低流量下提升較小，在高流量下提升較高，有約為2.6 W的提升。因此相較于傳統(tǒng)離心泵，在加入轉(zhuǎn)子螺旋槽型設(shè)計(jì)后，泵的性能有很明顯的提升，2型泵的出口壓力、揚(yáng)程、有效功率相對(duì)于1型泵分別提升了約為8.92%，8.93%，7.4%。

4 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

為驗(yàn)證新型離心泵水力性能的準(zhǔn)確性，對(duì)離心泵在0.18 Qd～1.8 Qd的流量下進(jìn)行數(shù)值模型，并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。采用直流穩(wěn)壓電源給離心泵供電，離心泵電機(jī)為直流無(wú)刷電機(jī)，當(dāng)電機(jī)電壓恒定，外負(fù)載變化時(shí)，離心泵電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)有微小變化，通過(guò)改變直流穩(wěn)壓電源的電壓值來(lái)使電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，來(lái)測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下離心泵的水力性能，通過(guò)振動(dòng)頻譜分析法來(lái)監(jiān)測(cè)離心泵的轉(zhuǎn)速，表3列出4種不同工況下經(jīng)調(diào)節(jié)電源電壓監(jiān)測(cè)到的離心泵的恒定轉(zhuǎn)速，通過(guò)流量計(jì)來(lái)測(cè)出離心泵總流量，壓力表與真空表可測(cè)出離心泵口出壓力，根據(jù)理論公式計(jì)算離心泵有用功率與揚(yáng)程，得出離心泵總效率。

表3 不同工況下離心泵轉(zhuǎn)速Tab.3 Centrifugal pump speeds under different working conditions conditions （r·min-1）

試驗(yàn)時(shí)流量數(shù)值大小逐漸從低到高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在同一工況下試驗(yàn)2次，取平均值，F(xiàn)LUENT數(shù)值模擬根據(jù)表3給定的轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)定MRF流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度。額定工況下出口壓力、揚(yáng)程與效率的試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。不同工況下泵出口壓力試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示。

圖9 額定工況水力性能試驗(yàn)與模擬對(duì)比Fig.9 Comparison of hydraulic performance test and simulation under rated conditions

圖10 不同工況試驗(yàn)與模擬出口壓力對(duì)比Fig.10 Comparison between simulated outlet pressure and test under different working conditions

可以看出，出口壓力、揚(yáng)程、總效率的最大誤差分別為2.34%，2.65%，3.59%，出口壓力和揚(yáng)程的最大誤差發(fā)生在了低流量下，泵總效率最大誤差發(fā)生在0.72 Qd工況下。從圖10可以看出離心泵在不同電壓下出口壓力隨流量的變化情況，總體趨勢(shì)符合流量壓力反比例曲線(xiàn)方程。排除較低Qd的流量工況外，其余工況的試驗(yàn)特性曲線(xiàn)和模擬特性曲線(xiàn)相差誤差較小，因此可以認(rèn)為FLUENT軟件的數(shù)值計(jì)算是可靠的。

5 結(jié)論

（1）在轉(zhuǎn)子上加入螺旋槽，這一結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)新性，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、可靠。

（2）采用新結(jié)構(gòu)的螺旋槽泵通過(guò)與傳統(tǒng)離心泵進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬分析對(duì)比，No.2-36泵的出口壓力、揚(yáng)程、有效功率相對(duì)于No.1-36型泵分別約提升了8.92%，8.93%，7.4%。

（3）試驗(yàn)與仿真分析的出口壓力、揚(yáng)程、總效率的最大誤差分別為2.34%，2.65%，3.59%，且最大誤差均出現(xiàn)在了小流量工況下，在額定工況下的出口壓力、揚(yáng)程、總效率誤差均小于1.5%，經(jīng)分析該泵整體誤差在合理范圍之內(nèi)。

綜上所述，在轉(zhuǎn)子上引入螺旋槽結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)副葉輪的做法合理，同時(shí)提高了水力性能。