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            雙吸水泵葉輪出口邊斜度對水力性能的影響

            時間:2021-04-08 10:23 來源:三昌泵業 點擊:

                   水泵水力表現性能及脈動特性都與葉輪出口傾斜切割角度有較大關聯,增加葉輪與蝸殼徑向間隙雖然能降低水泵的壓力脈動情況,但同時也會影響其過流能力。因此,在兼顧泵效率與穩定性的前提下,尋找最優的葉輪出口傾斜切割角度,對雙吸泵的節能減耗及安全運行意義重大。為此,計算采用CFX軟件對三種不同切割角度下的一臺雙吸泵進行數值模擬,分別從外特性及內部流場方面分析不同斜切角對泵整體性能的影響,進而為雙吸泵的設計和優化提供一定參考。

                   一、計算模型

                   1、幾何參數及網格劃分

                   本文計算模型為一臺雙吸泵,流量Q=8100m3/h,揚程H=48m,葉片數Z=6,葉片交錯布置,轉速n=990rpm;計算域由吸水室、葉輪及壓水室組成。劃分網格時采用非結構化四面體網格,并在葉片頭部及尾部,壓水室隔舌處進行加密,計算域見圖1。進行網格無關性檢查時,當揚程的相對誤差低于0.5%便可認為網格對計算結果無影響,最后確定計算所采用的網格總數為340萬。
            計算域

                   2、邊界條件設定

                   計算域進口采用速度進口條件,出口為給定出口壓力。速度項、湍動能和湍流黏性系數均采用二階迎風格式,對于近壁區采用標準壁面函數修正湍流模型,計算收斂精度為10-5。

                   3、葉輪斜切結構方式

                   一般而言,葉輪出口切割時不允許反方向斜切。如果斜切掉前蓋板,泵的揚程、流量和效率都要降低,而且對改善揚程曲線的穩定性也無裨益,這已被試驗所證實。正向切割時,泵其他結構參數不變,保持葉輪前蓋板半徑不變,從前蓋板出口朝后蓋板方向斜切不同角度建立3種方案,即分別為β=0°、12°和 18°,如圖2所示。圖中葉輪切割前的直徑為D2、切割后的直徑為D"2、切割角度β,假設葉輪外徑按V型切割至D"2。
            葉輪出口斜切示意圖

                   4、控制方程及湍流模型

                   采用雷諾平均動量方程來描述該泵內的不可壓縮流動。湍流模型選用圖片模型,該模型最主要的優點為:考慮到壁面上大尺度分離的影響,能有效地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動,所以在預測流體機械中三維非定常流動,能得出很好的結果。

                   二、計算結果分析

                   1、不同葉輪出口斜度的水泵外特性

                   利用 CFX 軟件對上述三種不同出口斜切角度的葉輪進行數值預測,得到泵的外特性曲線,如圖3所示。
            三種不同出口斜切角度的葉輪進行數值預測
                   可以看出:同一切割角度下,水泵揚程隨流量的增加出現單調下降,效率則呈現先增加后下降的變化趨勢,與常規水泵外特性的表現方式大體一致。當葉輪切割角度從0°增加至18°時,泵揚程在整個流量區域內依次下降,并無駝峰出現;效率則先增加后減小,最大效率值出現在12°附近,并且大流量下的最高效率點下降明顯。為進一步說明上述現象,圖4給出了設計工況下不同切割角的葉輪內流場湍動能分布圖。
            水泵葉輪流道湍動能分豐
                   湍動能是指流體的機械能轉換或耗散為流體內能的部分能量,湍動能越大, 湍流渦就越劇烈。從圖4中可以看出:切割角度在12°時的葉輪出口外緣湍動能相對最弱,而18°時的葉輪出口湍動能相對較大。流體從葉輪出口流向蝸殼產生的較大湍動能,必然會帶來葉輪外緣與隔舌附近較大的能量撞擊,造成此處流動紊亂,進而引起水泵效率下降。因此,結合外特性及葉輪內流場信息,研究認為,切割角度在12°時的泵水力性能相對較好。

                   2、不同葉輪出口斜度的水泵壓力脈動特性

                   研究表明,不同斜度切割葉輪通常會改變其出口與蝸殼隔舌的徑向間隙,從而影響整泵壓力脈動的強弱。為進一步探討其影響,計算對隔舌附近兩個監測點S1 (位于葉輪出口) 和P1 (位于蝸殼內)進行了研究,監測點如圖5所示。
            水泵監測點分布圖
            測點S1壓力脈動時域圖
                   數據采樣時間取計算穩定的后面4個旋轉周期。該雙吸泵的軸頻和葉頻為:
                   圖6和圖7分別為1.0Qo工況下不同斜切角度的各測點壓力變化時域和頻域圖?梢钥闯,測點P1和測點S1的壓力脈動頻率分別以2倍葉頻和軸頻為主。當切割角度持續增加時,測點P1主頻處振幅緩慢減小,說明動靜干涉在蝸殼內的傳播受葉輪出口結構的影響相對不敏感。然而這一過程中測點S1的軸頻脈動幅值不斷減小,表明了隔舌附近的紊流特性隨著葉輪出口斜切角度的增加均出現減弱,原因與葉片出口較大的徑向間隙導致葉輪及蝸殼隔舌的動靜干涉作用較弱有關。詳細數據見表1。結合圖8所示1.0Qo下不同斜切角度時流道Z=0截面的壓力分布可知,伴隨著切割角度的增加,葉輪出口處及蝸殼內的高壓區呈梯度均勻擴散且壓差逐漸減少,因而脈動也減弱。
            葉輪與蝸殼流道截面壓力分布圖
                   綜上所述,葉輪出口切割角在12°時的水泵效率不但有所提升,同時壓力脈動也相對減弱。兼顧水泵效率與脈動特性,研究認為12°是最適合該水泵的葉輪出口斜度。
                   基于上述結論,計算通過對大量雙吸泵模型進行流場數值模擬并與實測數據對比,統計出了三個常用比轉速雙吸泵的最佳葉輪外徑切割比、最佳葉輪徑向間隙比、葉輪出口斜切角β,見表2。
            雙吸泵出口特性參數的統計數據
                   可以看出:水泵比轉速在增加的同時,其葉輪流道也逐漸變寬,此時需要較大的切割角度(即隔舌間隙)來削弱動靜干涉的相互作用。這三項指標滿足任何一個均可實現對葉輪出口結構的改良優化。雖然葉輪出口斜切割后揚程會出現小幅度下降,但合理的切割會帶來高效且穩定的水泵運行工況。因而在實際工程應用中,建議切割葉輪時采用斜切割方式,可以在較大程度上提高水泵的水力性能及運行的穩定性。

                   三、結論

                   1、研究從CFD流場模擬的角度出發,對比分析了一比轉速ns=200雙吸泵在三種葉輪出口斜度下的水力性能,發現最高效率出現在切割角12°位置,認為該位置時的葉輪內流場外緣湍動能損耗相對較小有關。
                   2、泵隔舌附近的壓力脈動隨著切割角度的增加不斷減弱,認為與切割葉輪出口所帶來的葉輪與蝸殼隔舌間隙增加,使得二者的動靜干涉作用較弱有關。兼顧效率與脈動特性,認為12°是最適合該水泵的葉輪出口斜度。
                   3、基于大量數值模擬和實測結果對比給出三個常用比轉速雙吸泵的最佳葉輪切割角度,并建議工程應用中采用斜切割方式對葉輪進行切割。
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