基于输油气场站高比转数离心泵设计优化研究.pdf

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1、石油和化工设备-24-论文广场2016年第19卷基于输油气场站高比转数离心泵设计优化研究赵婷（中国石油西南管道公司，四川成都610000）[摘要]针对输油气场站高比转数离心泵的运行特性，基于N-S方程和标准k-ε模型，对比转数ns为177的离心泵进行定常数值模拟，得出压力场、速度场及湍流强度的等值线分布云图，分析了叶轮及蜗壳内部流场的分布规律，研究结果表明：叶轮及蜗壳内的流场呈非均匀分布；在泵出口靠近蜗壳的上侧产生明显的回流，可为高比转数离心泵性能的改进及优化提供科学的依据，达到优化设计、节能降耗目的。[关键词]高比转数；离心泵；数值模拟；流场；回流泵是输油气场站最常用的流体输送机

2、械之内部流场分布规律的研究主要是针对中、低比转[4-7]一，应用十分广泛。其耗电量约占全国每年总数离心泵，而对于高比转数离心泵内部流场的耗电量的20%，耗油量约占全国每年总耗油量的研究分析较少。本文应用CFD软件，模拟ns=177的[1]5%。比转数ns是表征泵运转性能及叶轮几何特征高比转数离心泵内部流场的分布规律，为输油气的综合性能参数。按照ns的大小可将泵分成低比转站场高比转数离心泵性能的改进及优化提供科学数、中比转数和高比转数离心泵以及混流泵和轴的理论依据。[2,3]流泵。其中，高比转数离心泵的ns在150~300之1数学描述及物理模型间。高比转数离心泵的叶轮流道较宽，叶片扭

3、曲以某高比转数离心泵为例，其相关运行参数较大，具有扬程高、流量大的特点。目前，就泵如表1所示。表1高比转数离心泵的相关参数3比转数转速rad/min叶片数进口速度m/s设计流量m/h扬程m1772900659020利用CFD前处理软件分别生成叶轮、蜗壳内2数学模型的计算区域，再对计算区域采用三角形网格的方2.1控制方程式进行网格划分，如图1所示得到高比转数离心泵假设流动是不可压缩的定常流动，其N-S方程的网格单元。[8]为：连续性方程：(1)动量守恒方程：(2)(3)作者简介：赵婷（1988—），女，甘肃庆阳人，硕士研究生，助图1高比转数离心泵网格示意图理会计师。在中国石油西南管道

4、分公司工作。第4期赵婷基于输油气场站高比转数离心泵设计优化研究-25-其中：是雷诺应力张量。本文采用标准方程来封闭RANS方程：(4)(5)图2速度等值线云图其中：湍动粘度。在标准k-ε模型中，各项的计算公式如下：(6)2.2边界条件假设进口流速沿叶轮进口截面均匀分布，给定边界节点的平均速度。进口处的湍动能k和扩散图3速度矢量图2率ε可由下式求得：k=0.05V(7)(8)其中：V为进口截面的平均流速；d为泵入口段的特征尺寸。3计算结果及分析由图2和图3可以看出，在靠近泵出口的叶轮流道内部，流体流速明显高于其他流道内的流速。在各个叶轮流道内，出口处流速相对较小，图4静压等值线云图这

5、主要是由于叶轮出流受到蜗壳壁面的堵塞，使得过流量减少，同时，叶轮在旋转过程中，叶轮导叶的相对位置随之改变，叶轮出口流速也在随之改变，从而导致叶轮流道内的流场呈现非均匀性分布。由图3可以看出，在泵出口附近靠近蜗壳的上侧有明显的回流产生，回流会对蜗壳壁面产生较明显的冲击，造成冲击损失。图4为高比转数离心泵内部的静压等值线云图。叶轮在旋转过程中，流道内的流体被甩向叶轮出口，同时在叶轮入口中心处，压力最低，形成低压区；叶轮出口处，压力增大，形成高压区，但最大压力并不在最外侧出口，而是出现在图5湍流强度等值线云图石油和化工设备-26-论文广场2016年第19卷流道的中间位置，由此说明在叶轮流

6、道内部，压隙，流体呈非规则状态进入蜗壳，致使蜗壳璧面力沿径向呈现非均匀性分布。在蜗壳内部，由于处产生冲击损失；蜗壳和叶轮之间存在间隙，因此流体呈非规则状(4)在泵出口附近靠近蜗壳壁面的上侧有明显态进入蜗壳，致使在蜗壳璧面处产生冲击损失，的回流产生，回流会对蜗壳壁面产生较明显的冲从而导致蜗壳内部压力梯度分布不均匀。击，造成冲击损失。图5为高比转数离心泵内部的湍流强度等值线综上所述，本文通过对高比转数离心泵叶轮云图。可以看出，泵内的湍流强度也呈非均匀分及蜗壳内部流场分布进行的数值模拟，为高比转布。这一方面是由于泵体本身结构的非对称性造数离心泵性能的改进及优化提供了科学合理的依成的，另一

7、方面由于叶轮在高速运转时，叶轮带据。动流道内的流体高速转动，使得流体获得动能，随着叶轮的不断旋转，流道内的流体被甩向叶轮出口，流体再经过叶轮和蜗壳之间的间隙进入蜗◆参考文献壳，由于间隙的存在会产生冲击损失，致使流体[1]邵春雷，顾伯勤，陈晔.离心泵内部流场测量系统设计及在进入蜗壳后，其湍动能明显小于流体在叶轮流测量方法研究[J].流体机械，2007，35(6)：45-49.[2]邵春雷.离心泵内部流动及动态虚拟设计方法研究[D].南道内的湍动能。京：南京工业大学，20