多級離心泵級級長葉片復合葉輪流動特性分析

多級離心泵級級長葉片復合葉輪流動特性分析

多式聯(lián)運泵是一種常見的高流量泵，葉片是多式聯(lián)運泵的重要過流部件。葉片的設計在整個泵的性能和優(yōu)點方面發(fā)揮著重要作用。而多級離心泵是將具有同樣功能的兩個以上的泵集合在一起,第一級的介質泄壓口與第二級的進口相通,第二級的介質泄壓口與第三級的進口相通等,依次重復,而首級葉輪作為流體先進入通道,對整個泵的性能影響巨大,因此是多級泵葉輪設計的關鍵。近年來,隨著計算機技術和流體動力學的發(fā)展,利用CFD對葉輪內流場進行數值模擬已成為泵優(yōu)化設計的重要方法[3~8]。鑒此,本文基于CFD技術,對首級葉輪的兩種設計方案進行了數值模擬,并探索其性能的優(yōu)劣。1幾何模型和網格的劃分1.1兩種設計方案比較多級泵首級葉輪的設計參數:流量為800m3/h,揚程為105m,轉速為1480r/min,比轉速為78,為低比轉速。綜合考慮設計方案中泵揚程、效率及抗汽蝕性能等因素,在不計葉片排擠系數影響的條件下對兩種設計方案的優(yōu)劣性進行比較。首級葉輪的軸面截線圖和木模圖見圖1。通過已給參數設計出三長三短(方案1)及四長四短(方案2)葉輪,兩種葉輪葉片數不同,其他參數均相同。運用三維繪圖軟件PROE對兩種葉輪進行建模,流道結構示意圖見圖2。1.2網格無關解驗證運用Gambit軟件對葉輪模型進行網格劃分,在葉片進口部位手動網格加密,先利用四邊形網格對葉片進口處進行面網格劃分,再采用非結構化網格T-Grid劃分整個葉輪,劃分過程中采用不同尺寸進行劃分,并在綜合考慮精確性及計算時間下選取最佳劃分方法,見表1。三長三短的各種網格劃分取網格尺寸Size為7.5。通過網格無關解驗證可得,劃分網格滿足計算精度。四長四短網格尺寸Size取5,同理可得網絡劃分滿足計算精度。1.3出口類型(1)邊界類型。(1)進口類型為velocityinlet,命名為inlet;(2)出口類型為outflow,命名為outlet;(3)短葉片的面類型為wall,命名為short-blade;(4)長葉片的面類型為wall,命名為long-blade。(2)體類型。每個葉輪的volume只有一個,類型為fluid,命名為impeller。2密度對微元體上的壓力和溫度分布由文獻可知,質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程分別為:式中,ρ為密度;t為時間;u為速度矢量;F為作用在微元體上的體積力;P為流體微元體上的壓力(靜壓);T為溫度;k為傳熱系數;cp為比熱容;S為粘性耗散。3運動粘度ms本數值模擬在額定工況下以清水為介質,介質密度為998.2kg/m3,運動粘度0.001003kg/(m·s)。在保證兩方案運行工況相同的前提下分別分析了靜壓分布、相對速度矢量分布,并比較了兩種設計方案下泵的性能。3.1靜壓力分布不均勻,對比圖3為兩種設計下的首級葉輪靜壓力分布,圖4為總壓分布。由圖可看出:(1)相同半徑時葉輪工作面壓力大于背面壓力,靜壓和總壓在葉片進口附近最小,且隨半徑的增加壓力呈一定梯度的向外增加。(2)方案1靜壓力分布不均勻,尤其在葉片進口處壓力變化梯度不明顯。方案2靜壓力梯度要均勻得多,且出口靜壓力達到0.6MPa,比方案1的10.5MPa有很大提升,這將有助于提高泵的揚程。(3)方案2總壓力分布的低壓區(qū)范圍較方案1小,最低壓力也高于方案1,所以方案2減小了葉片與介質互相作用時汽蝕現(xiàn)象,提高了葉輪與輸送介質之間的能量交換效果,從而提高了泵在輸送介質時的效率,并確保了設備的安全運行。上述分析說明葉片數對泵的揚程、汽蝕性能、效率均有一定的影響,在考慮葉片排擠系數和流道摩擦的前提下,增加葉片數可提高泵的揚程和減少汽蝕的產生,使泵安全穩(wěn)定運行。3.2工作面在相對速度上的影響圖5為兩種設計方案在額定工況下的相對速度分布。葉輪內介質由于受葉片的作用,介質從進口到出口隨半徑的增加相對速度加大,在葉輪出口處達到最大。在葉輪進口處,工作面與背面相對速度基本相同,而隨半徑增加,由于受軸向漩渦的影響,工作面相對速度大于背面相對速度。由圖5可看出:(1)方案1因采用了復合式葉輪,回流、脫流現(xiàn)象得到了有效抑制,但內部流場不夠均勻,甚至出現(xiàn)紊亂趨勢,在小流量下這種趨勢將轉變?yōu)榛亓鳜F(xiàn)象,從而影響泵性能。(2)方案2內部流場有相當大改善,整個流場相對速度過渡平緩,且最大相對速度值達到3.73m/s,較方案1中最大相對速度值3.06m/s提升效果明顯,達到了優(yōu)化目的。3.3種設計方案比較圖6為葉輪的湍動能分布。由圖可看出:(1)兩種設計方案葉輪內部的湍動能總體上分布均勻,但在葉片進口處存在大梯度的湍動能分布區(qū)域,分布極不規(guī)律,這將導致極大的能量損失。(2)比較兩種設計方案,方案1的大梯度湍動能分布區(qū)域方案2的區(qū)域明顯小,這與增加葉片的排擠和表面摩擦有關。(3)方案1最大湍動能達到5.24J,比方案2的5.15J大,且方案1的大梯度湍動能區(qū)延伸到短葉片背面的中部。雖方案2大梯度湍動能區(qū)域大于方案1,但綜合前面壓力與速度的分析和最大湍動能數值、分布情況,方案2明顯改善了葉輪內部流場的分布。4葉輪揚程和水力效率CFD中可利用葉輪進口總壓Pin與出口總壓Pout的水頭差計算揚程:式中,Δh為泵進出口到基準面的高度。根據Fluent中Report-Forces菜單中Moments得到的扭矩T值可求得首級葉輪效率:根據式(4)、(5)可計算葉輪不同工況點的揚程、水力效率,并進行數據整理,繪出曲線分別見圖7、8。由圖可看出:(1)方案2在不同流量點的揚程均大于方案1的揚程,且曲線下降平緩,這與壓力分析相符。(2)在小流量時兩種方案的效率差異并不明顯,隨著流量的增加到達額定工況后方案1效率開始呈下降趨勢,形成泵流量效率性能曲線特有形狀,而方案2在流量到達額定工況后效率依然增加,達到120%流量時才開始下降,從而提高了葉輪的高效工作區(qū)范圍,改善了泵的性能。5葉輪及葉片數a.在流體動力學Fluent軟件的基礎上,對低比轉速多級離心泵首級葉輪兩種設計方案進行了數值模擬,四長四短葉輪可改善葉輪內部流場、提高整泵效率,比三長