叶片包角对高比转数离心泵性能的影响

 

2020-05-15 04:56

  为研究设计工况下叶片包角对高比转数离心泵性能的影响,以一台比转数为185的单级单吸离心泵为研究对象,在保证泵体和叶轮其他几何参数相同的前提下,将叶片包角分别设计为110°,115°,120°,125°和130°. 应用ANSYS CFX 14.5软件对离心泵内流场进行数值计算.结果表明:叶片包角对外特性有显著影响,包角过大,扬程和水力效率整体下降;当叶片包角增大到130°时,最佳效率点向小流量偏移近20%;同时,随着叶片包角的增大,叶轮进口低压区增大,更容易发生汽蚀;叶片包角从110°增大到115°时,蜗壳内流动更加平顺. 当叶片包角增大到125°时,隔舌附近出现明显的低速旋涡区,随着包角进一步增大,旋涡区域扩大且向出口处移动;此外,当叶片包角为120°时,各监测点的压力脉动幅值较低,说明对于动静干涉作用的影响,叶片包角存在一个最优值. 针对叶片包角为120°的模型泵进行了性能试验,对比发现数值计算的结果与试验结果趋势一致,表明数值计算方法是可信的,对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.

  黄茜,袁寿其,张金凤,等. 叶片包角对高比转数离心泵性能的影响[J].排灌机械工程学报,2016,34(9):742-747.

  [2-4].优化模型的设计方法是以某一函数极值为目标,优化某一个或多个叶片几何参数,再通过速度系数法完成叶轮的设计[5-6].司乔瑞等[7]研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数.郑路路等[8]基于能量梯度方法就叶片数对离心泵运行稳定性的影响进行了研究.赵伟国等[9]研究了叶片厚度对低比转数离心泵性能的影响,表明随着叶片厚度的增大,泵的最优工况点向小流量偏移,且最高效率略有提高. 这些方法对叶轮进出口直径、轮毂直径、进出口安放角、叶片数、叶片出口宽度等几何参数做出了详细的阐述[10-11],但对叶片包角的优化设计问题研究涉及较少,包角的选取范围较大,仅能根据工程实践经验选取. 叶片包角过大会增大叶片摩擦面积,不利于提高泵的水力效率[12-13],且不利于铸造.叶片包角过小会减小两叶片间的重叠度,减短叶片间流道的有效部分,降低了叶片对流体的控制能力和液流的稳定性,也是不利的.为研究不同叶片包角对高比转数离心泵性能的影响,文中以一台比转数n

  s=185的离心泵为研究对象,在保证叶轮其他主要几何参数相同的前提下,设计5种不同叶片包角的叶轮,应用软件ANSYS CFX 14.5对具有不同叶片包角的高比转数离心泵分别进行数值计算和性能预测,具体分析叶片包角对高比转数离心泵的外特性、内部流场以及压力脉动的影响.此外,通过叶片包角为120°的模型泵进行外特性试验,可对数值计算方法的可靠性进行有效验证.1计算模型与数值计算

  s=185的单级单吸离心泵,其主要设计性能参数分别为流量Q=620 m3/h,扬程H=27 m,转速n=1 450 r/min. 泵的主要过流部件几何参数分别为叶轮进口直径Dj=225 mm,叶轮出口直径D2=340 mm,叶片出口宽度b2=54 mm,叶片出口角β2=27°,叶片数Z=5,蜗壳基圆直径D3=355 mm,蜗壳出口直径D4=225 mm. 采用CATIA软件对泵进行三维造型,在泵的其他几何结构参数不变的情况下,泵段模型(进口管、蜗壳)完全相同,建立不同包角的叶片模型,叶片包角φ分别为110°,115°,120°,125°和130°的5个叶轮.为了便于网格的划分,叶轮与蜗壳间隙部分的水体加在蜗壳上.为使流动能够充分发展,减少进出口边界位置对泵内部流动的影响,对模型泵进出口管路进行适当延长,以提高计算的准确性,采用非全流场进行数值模拟,计算域如图1所示.

  采用ANSYS CFX 14.5商业软件对离心泵内流场进行数值计算,采用SST

  ω湍流模型封闭雷诺时均方程进行求解.边界条件设置为总压力进口,p=1.01×105Pa,参考压力为0. 出口采用质量流量边界条件,计算域壁面采用无滑移网格函数. 在定常计算中,动静域交接面采用“Frozen rotor”,采用高阶求解精度,收敛残差RMS设置为10-5,计算迭代步数最大为1 000;在非定常计算中,以定常结果作为初始值,边界条件不变,而动静域交接面改为“Transient frozen rotor”,计算周期设置为7,且旋转3°为1个时间步长,即3.448 28×10-4s,每个时间步长的迭代次数设置为10次,每个时间步长的残差收敛标准为残差的最大值小于10-5.2试验验证

  由于模拟得到的效率仅仅是水力效率,而试验得到的效率还考虑了容积损失和机械摩擦损失,所以二者效率不具有可比性,仅从扬程角度分析数值计算方法的正确性. 图4为模型泵的计算和试验

  Q曲线,通过对比可以看出,数值计算结果和试验结果有很高的一致性,尤其在设计工况附近,最低误差为2%,最高误差也仅为7%. 因此,文中所采用的数值计算方法是可靠的.

  由图5可以看出:随着包角的增大,扬程曲线趋于平稳,相同流量工况点下,扬程有所降低,这是由于随着叶片包角增大,叶轮喉部平均叶片安放角减小,导致相对液流角减小的效果大于叶轮喉部面积减小,最终结果是相对液流角减小,使叶轮产生了扬程降低;比较效率曲线,随着叶片包角的增大,泵的最高效率点向小流量点偏移,根据叶轮和蜗壳的耦合关系,叶片出口安放角和叶轮出口相对液流角的减小会引起泵的最高效率点偏向小流量,从而也印证了叶片包角增大后叶片出口实际相对液流角减小的推测;当叶片包角为110°,115°,120°,125°时,最高效率基本相等,均为88%左右;当叶片包角增大到130°时,最高效率减小到83%;此外当叶片包角偏大时,各工况点效率都普遍较低,这是由于包角过大,过长的叶轮流道对流体流动带来更强约束的同时也带来了更大的摩擦损失,从而降低了效率.因此,叶片包角对泵性能存在一个最优值.

  图6为设计工况下,不同叶片包角的叶轮流道中截面压力云图,可以看出:叶轮中截面上的压力分布整体上并不均匀,这是由于蜗壳几何结构不对称以及蜗壳对叶轮的动静干涉作用造成的,流体在叶轮流道内流动时逐步获得能量,从而从叶轮进口到叶轮出口的静压值逐渐增大;随着包角的增大,叶轮进口低压区有增大趋势,根据伯努利方程,流体介质较大时,其静压自然较小,所以更容易发生空化;出口附近高压区有减小趋势,说明包角过大带来更大的摩擦损失,降低了泵的扬程.

  图7为设计工况下,不同叶片包角的叶轮流道中截面的湍动能分布云图,湍动能越大的位置,湍流涡就越可能在此处产生.由图7可以看出:叶轮进口处均有局部偏大趋势,说明流体在叶轮进口附近有一定的冲击损失;随着叶片包角的增大,在隔舌附近的叶轮流道湍动能明显增大;叶轮出口处湍动能普遍趋于增大,说明更长的叶轮流道在对流体进一步约束流动并做功的同时,使得流体冲击到内固壁,可能会带来更大的水力损失.

  图8为设计工况下,不同叶片包角的蜗壳中截面速度流线,可以看出:当叶片包角从110°增大到115°时,蜗壳内流动更加平顺、规整;当叶片包角增大到125°时,隔舌附近出现明显的低速旋涡区;随着包角进一步增大,旋涡区域扩大且向出口处游动,堵塞更大的流道,这也是大叶片包角泵水力效率偏低、性能不佳的原因之一.

  =110°,120°,130°的泵为例分析叶轮出口处压力脉动情况,研究不同叶片包角对高比转数离心泵动静干涉的影响. 不同叶片包角的模型泵只是叶轮网格不同,而其他水体网格是一样的.为了研究叶片包角对高比转数离心泵内动静干涉的影响,在蜗壳中心截面上典型位置布置监测点,如图9所示.监测点坐标如表1所示.

  Hz,叶片通过隔舌的频率(叶频)为120.85Hz.为保证计算结果的稳定性和可信度,取非定常计算最后1圈获得的瞬态条件下各监测点的静压作为结果进行分析,经快速傅里叶变换,得到相应监测点压力脉动的频域分布,如图10所示.由图10可以看出:在隔舌附近的点P1处脉动幅值最大,主频约为120Hz,即1倍叶频;随着叶片包角的增大,监测点P2,P3和P4处的次主频往低频偏移且有幅值增大趋势,次主频发生在50Hz,约2倍轴频处;随着监测点远离叶轮,叶片包角对此处压力脉动影响较小,流动趋于稳定,对不同叶片包角,监测点P5处整体脉动情况相似;整体上,叶片包角为120°时,各监测点脉动幅值较低,说明对于高比转数离心泵的压力脉动性能,叶片包角存在一个最优值.图10额定工况下各监测点频域特性

  fluctuationinfrequencydomainatvariousmonitoringpointsunderdesigncondition4结论对某一比转数为185的单级单吸离心泵进行了非全流场非定常数值模拟,设计了5种不同叶片包角的模型泵,分别从泵的外特性试验、内流场分析和动静干涉作用的影响等3个评价指标分析了叶片包角对高比转数离心泵性能的影响,得出结论如下:

  1) 随着叶片包角的增大,高比转数离心泵在各流量点的扬程和水力效率普遍降低,当叶片包角增大到130°时,最佳效率点往小流量偏移20%左右.

  2) 叶片包角过大,叶片低压趋于增大,抗空化性能降低.出口压力趋于减小,湍动能增大,水力性能也会降低. 此外,叶片包角从110°增大到115°时,蜗壳内流动更加平顺.当叶片包角增大到125°时,隔舌附近出现明显的低速旋涡区. 随着包角进一步增大,旋涡区域扩大且向出口处移动,堵塞更大的流道.

  4处低频脉动明显,且幅值有增大趋势,说明对于动静干涉作用的影响,叶片包角存在一个最优值.参考文献(:References

  基金项目:国家自然科学基金资助项目(51009072); 江苏高校优势学科建设工程项目

  作者简介:黄茜(1992—),男,江苏如皋人,硕士研究生(),主要从事流体机械内部流动研究.

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