双吸离心泵的性能分析及优化

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第24卷第3期甘肃科学学报Vol．24No．32012年9月JournalofGansuSciencesSep．2012双吸离心泵的性能分析及优化杨军虎，王玥，郭斌，张云周，孟瑞锋(兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州730050)摘要:针对国内某厂生产的双吸泵，利用CFD软件对其内部流畅进行数值模拟，依据一元理论对叶轮的水力设计进行检查．发现影响泵效率的原因是叶轮进口较强的漩涡，在不改变原叶轮设计的基础上提出切割叶片进口边的优化方案．方案实施后，效率点比原设计向大流量方向偏移，最高效率提高了5．61%，基本达到了优化的目的．关键词:双吸泵;CFD;一元理论;优化中图分类号:TH311文献标志码:A文章编号:1004-0366(2012)03-0107-05PerformanceAnalysisoftheDouble-suctionPumpandItsOptimizationYANGJun-hu，WANGYue，GUOBin，ZHANGYun-zhou，MENGRui-feng(SchoolofEnergyandPowerEngineering，LanzhouUniversityofScienceandTechnology，Lanzhou730050，China)Abstract:TheinternalflowofacertaindomesticproductionofdoublesuctionpumpisnumericallysimulatedbytheCFDsoftware;thehydraulicdesignoftheimpellerischeckedaccordingtoone-dimensionaltheory．Thecausewhichaffectstheefficiencyofthepumpisthattherearestrongvortexesintheinletoftheimpeller．Anoptimizedschemeisproposed;thatistocutthebladeinletedgewithoutchangingtheoriginaldesignoftheimpeller．Aftertheimplementationofthescheme，thehighestefficiencyisincreasedby5．61%;themaximumefficiencypointisshiftedtothedirectionofthemassflowascomparedwiththeoriginaldesign，andtheresultreachedthepurposeofoptimi-zationbasically．Keywords:double-suctionpump;CFD;one-dimensional;optimization双吸离心泵具有单机流量大、扬程高、结构简单双吸泵的效率有1．2%～9．8%等不同程度的提高．等特点，是泵类产品中数量多、用途广泛的一种产但这些方法大多采用CFD软件对其内部流场进行品．由于双吸泵一般所配的功率较大，因此，实际应分析，进而提出优化方案，改进后需要再次模拟分用中泵的效率指标显得尤为重要．而国内目前生产析，从而对优化方案进行判断．的双吸泵在实际运行时的效率较发达国家低十个百从现有问题上看，鲜有对原设计进行设计检查，［1］分点左右，为此，有必要对国产双吸泵进行研究从设计理论角度找出原因的研究方式．和技术改造，以改善其水力性能．因此，以下针对国产的某型单级中开双吸泵，与基于上述情况，近年来，很多学者针对双吸泵的德国KSB公司的Omega系列泵的同型产品对比，最多种运行工况提出了诸如将直叶片改为全三元扭曲佳工况点的流量和扬程均有较大差距，效率值更是叶片、增大叶轮外径、增加出口宽度、修削泵体隔舌低了近20%的情况(见表1)，对该泵的内部流场进［2-7］以扩大喉部面积、修锉叶片出口等方法，使单级行数值模拟，并结合传统一元流动模型设计方法对收稿日期:2012-01-04基金项目:国家自然基金项目(51169010)作者简介:杨军虎(1962-)，男，教授，博士生导师，主要从事流体机械力学特性及设计理论方面的研究．E-mail:wangyue1018@126．com 108甘肃科学学报2012年第3期该泵进行设计检查．提出在不改变原叶轮设计的情不佳，叶片旋转在此处作用小，导致来流不能顺利进况下切割叶片进口边以增大有效进口面积，改善流入叶轮，在此处形成漩涡流动造成的．道面积扩散程度的改进方案．表1中开泵性能对照项目Omega系列国内性能对照/%－1189151．0979．94流量Q/L·s扬程H/m2015．9979．95效率η/%8468．4181．441CFD分析及一元理论设计1．1原有设计参数及结构尺寸图1叶轮静压分布原最佳工况点的参数为:流量Q=151．09L/s，扬程H=15．99m，转速n=1480r/min．原叶轮尺寸为:D1=217mm，D2=280mm，b2=42．3×2mm，z=6，β2=25°．蜗壳基圆D3=276mm，b3=140mm．1．2CFD数值模拟分析为了找出该泵性能偏差的原因，应用三维造型软件Pro/E对该泵包含吸水室、叶轮和蜗壳在内的内流场建模．采用CFD计算流体力学软件Fluent对该双吸泵内部的全流道流动进行数值模拟．选用标准κ-ε紊流模型，SIMPELC算法，在入口处给定基于泵流量的均匀速度进口条件，出口处选用自由出流．近壁区的流动采用壁面函数法，固体边壁选取无滑图2叶片工作面静压分布移边界条件．从不同流量时数值模拟出该泵的性能与实验结果对比，可以看出所建模型和模拟结果均是可靠的，见表2．表2计算性能和实验对比结果－1105．88120．99135．00151．25流量Q/L·s扬程相对偏差ΔH/%10．708．305．674．25总功率相对偏差Δη/%1．870．410．532．63(1)压力分布规律叶轮静压分布见图1．由图1可以看出(计算工况为最优效率点)，压力分布总体比较均匀，但是进口边附近低压区域面积较大．由叶轮前盖板上的静压等值线分布趋势看，压力沿着水流方向持续增加，在叶轮出口面上压力分布很图3叶片背面静压分布不均匀，在相邻叶片间的流道中均出现了压力降低的区域．(2)流动迹线分布规律最优效率点时叶轮径结合叶片工作面和背面的静压等值线分布来看向中截面上的全流场流线分布见图4．从流线图可(见图2、图3)，工作面上压力变化均匀，背面在进以看出，在进入叶轮进口前，有部分流体在较大的区口边至中段附近压力分布出现了不规则现象，此处域内绕轴旋转形成了旋涡流动，使液体在通过叶轮可能是因为叶片进口角小，在进口边附近流动状态 第24卷杨军虎等:双吸离心泵的性能分析及优化109从图5中可以看出，该变化曲线符合光滑平直的条件，我们主要针对原设计中影响泵效率方面的因素，因此不考虑汽蚀性能，原设计轴面投影图的形状良好．(2)展开流线检查根据原设计提供的叶片剪裁图可以制作叶片，但是看不出叶片角度的变化情况．因此，为了对原设计中叶片型线的形状进行检查，由剪裁图反向作图，求出方格网上的叶片型线，见图6．图4叶轮径向中截面流线分布进口时受到挤压，液流运动向前盖板方向偏移，并在后盖板附近形成旋流．随着流道的扩散和叶轮旋转作用的增强，液流运动方向向后盖板方向偏移．在叶轮出口部分，由于压力的变化使得被加速的液体偏离原来的运动轨迹，向前盖板方向发散，在图6流线展开蜗壳内产生旋转流动．叶轮出口处的旋流对来流又造成冲击和挤压，使之不能顺利的流出叶轮，水流对图6画出的3条相对流线，就是叶片表面的3叶轮产生冲击，造成能量损失．条型线．由图6可以看出a流线在叶片进口边附近结合静压和流线分布图分析，液体在进入叶轮的形状不佳，叶片进口角较小，是造成液流在叶轮进处的低压区出现了进口回流，总压下降很多;随着流口附近形成涡旋的原因之一;b、c流线在整个方格道的扩散，经叶轮旋转做功，总压沿着水流方向持续网中的形状都较好．增加;在叶轮出口处，由于流道扩散过度造成压力的(3)叶片间流道扩散情况检查两叶片间流道降低，使来流在叶轮出口处产生旋涡，这都是造成水面积的变化情况，尤其是两叶片间的有效进出口面泵效率偏低的原因．积比，对性能有着重要的影响．文献［8］推荐:1．3设计检查F/F=1．0～1．3．进出将Omega系列泵同型产品的性能参数作为设根据已建立的模型对相邻叶片间流道扩散情况计要求，用速度系数法对原叶轮的主要尺寸进行检的检查，发现两叶片间流道进出口的有效部分面积查，并且根据文献［8］，按照传统一元理论的方法和比偏大，F进/F出=1．70．流道扩散严重，在叶轮出口保角变换法对原叶轮进行设计检查和叶片绘型质量附近造成总压的降低，形成旋涡流动，使效率下降．检查．(1)轴面流道过水断面变化情况检查由轴面2改进方案及模拟结果投影图检查流道的过水断面变化情况．该泵过水断2．1改进方案的提出面积沿流道中线的变化曲线见图5．综合实验结果、流场分析以及一元理论对流道的检查情况，认为导致该泵的性能出现偏差、效率过低的原因，是叶轮进口面积太小，使来流在入口处造成阻塞和旋流，导致整个流场中多处的流动冲击和能量损失;流道在靠近前盖板方向上扩散严重，导致的压力变化进一步增加了流场中的旋流强度和水力损失．为此，可以增大叶片的进口角，以扩大进口面积，或是减小叶片的出口角，以减小叶片间的出口面图5轴面液流过水断面变化规律积．但是，由于原设计轴面投影图的限制，增大叶片 110甘肃科学学报2012年第3期的进口角可以小幅的扩大进口面积，但对改善叶片间的流道扩散情况作用并不明显;在不改变叶型的基础上改变叶片的出口角，需要同时改变叶轮的外径，意味着需要对蜗壳进行重新设计，较为麻烦．因此，在不改变原设计的基础上提出切割叶片的进口边，以增大进口面积改善来流在进入叶轮时［9-12］的流动状态，同时减小流道的扩散的方案．图6中的虚线即为切割线在流线展开图中的表示．2．2改进泵模拟结果分析利用上述改进方案对原双吸泵进行改进后，叶轮和叶片工作面、背面的静压分布情况见图7～图9(计算点为改进后的最佳效率点)．对比图1～图3可以看出，改进后该泵在叶轮进口附近的总压有所图9改进泵叶片背面静压分布上升，但是低压区域明显减小;叶轮出口面的压力分布情况依然不佳，但较改进前相比更为均匀．叶片工根据模拟计算，改进泵在流量189L/s时的计作面和背面的静压分布改善较为明显，从低压区到算扬程为17．86m，计算水力效率为73．53%．与改进前相比，计算扬程提高了1．19m，计算水力效率高压区的过渡更加合理，压力分布更为均匀，说明流提高了5．8%．动状态得到了改善．改进前后该泵的计算效率曲线见图10．由图10可以看出，改进泵不但效率有所提高，高效区也明显变宽，水力性能较差的情况得到了改善．图7改进泵叶轮静压分布3结论通过对性能较差的双吸泵进行数值模拟，分析全流场内液体流动过程中压力的变化和相对运动方向的异常，结合传统一元理论的设计方法对原设计进行设计检查，提出切割叶片进口边的改进方案．由上述数值模拟和理论分析结果，得出如下结论和改进建议:图8改进泵叶片工作面静压分布(1)切割叶片前后，该泵相邻叶片间的有效进 第24卷杨军虎等:双吸离心泵的性能分析及优化111出口面积比分别为1．70和1．56．考虑扬程原因，不［J］．排灌机械，2002，20(4):9-10．［3］李红，袁建平，汤跃，等．双吸离心泵性能提高及其实验研究能继续切割使该比值降至推荐值以内，流道扩散情［J］．农业机械学报，2005，36(12):77-80．况依然严重;［4］刘文龙，郭加宏，陈红勋．CFD在双吸式离心泵优化设计中的(2)原型泵的叶轮已经进行了较大的切割，但应用［J］．工程热物理学报，2007，28(3):421-423．是计算效率并未达到Omega系列泵的效率值．在不［5］ValSLobanoff，RobertRRoss．CentrifugalPumps:Designand改变蜗壳的情况下，仅改变叶轮，并不能很大幅度的Application［M］．2nd．Houston:GulfProfessionalPublishingCom-提高泵的效率．要同时达到效率和扬程的双重提高，pany，1996．［6］JohannFriedrichGülich．CentrifugalPumps［M］．Berlin:Spriger-应该重新设计叶轮和泵体;VerlagBerlinHeidelberg，2008．(3)在推荐值1．0～1．3以外时，叶片间有效进［7］郝娇，林长健，孙玉兰．偏离设计工况的离心泵叶轮改造计算出口面积的比值大小与扩散损失程度的关系问题，［J］．化工机械，2010，37(2):170-172，175．可以进行进一步的讨论分析;［8］关醒凡．现代泵设计手册［M］．北京:宇航出版社，1995．(4)利用数值模拟对流场进行分析，结合传统［9］齐学义，杨军虎，李小敏，等．混流泵叶轮切割规律的研究［J］．甘肃科学学报，1999，11(3):32-35．的一元理论对性能出现偏差的泵进行设计检查，可［10］王福军．计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］．北以有效并经济的实现泵的优化．京:清华大学出版社，2004．［11］任静，吴玉林，杨建明，等．水力机械转轮内的CFD分析及优参考文献:化设计［J］．工程热物理学报，2000，21(3):316-320．［1］程云章，骆宾海，吴文权．基于CFD技术的双吸离心泵节能技［12］白庭河，贾国静，杨晓霞，等．离心泵非定常流场计算和影响术研究［J］．水力发电，2009，35(4):93-96．使用寿命的因素分析［J］．甘肃科学学报，2011，23(4):114-［2］何希杰，黄毓文．离心泵多参数对效率影响的大小和排序117．