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双吸水泵叶轮出口边斜度对水力性能的影响

时间:2021-04-08 10:23 来源:三昌泵业 点击:

       水泵水力表现性能及脉动特性都与叶轮出口倾斜切割角度有较大关联,增加叶轮与蜗壳径向间隙虽然能降低水泵的压力脉动情况,但同时也会影响其过流能力。因此,在兼顾泵效率与稳定性的前提下,寻找最优的叶轮出口倾斜切割角度,对双吸泵的节能减耗及安全运行意义重大。为此,计算采用CFX软件对三种不同切割角度下的一台双吸泵进行数值模拟,分别从外特性及内部流场方面分析不同斜切角对泵整体性能的影响,进而为双吸泵的设计和优化提供一定参考。

       一、计算模型

       1、几何参数及网格划分

       本文计算模型为一台双吸泵,流量Q=8100m3/h,扬程H=48m,叶片数Z=6,叶片交错布置,转速n=990rpm;计算域由吸水室、叶轮及压水室组成。划分网格时采用非结构化四面体网格,并在叶片头部及尾部,压水室隔舌处进行加密,计算域见图1。进行网格无关性检查时,当扬程的相对误差低于0.5%便可认为网格对计算结果无影响,最后确定计算所采用的网格总数为340万。
计算域

       2、边界条件设定

       计算域进口采用速度进口条件,出口为给定出口压力。速度项、湍动能和湍流黏性系数均采用二阶迎风格式,对于近壁区采用标准壁面函数修正湍流模型,计算收敛精度为10-5。

       3、叶轮斜切结构方式

       一般而言,叶轮出口切割时不允许反方向斜切。如果斜切掉前盖板,泵的扬程、流量和效率都要降低,而且对改善扬程曲线的稳定性也无裨益,这已被试验所证实。正向切割时,泵其他结构参数不变,保持叶轮前盖板半径不变,从前盖板出口朝后盖板方向斜切不同角度建立3种方案,即分别为β=0°、12°和 18°,如图2所示。图中叶轮切割前的直径为D2、切割后的直径为D"2、切割角度β,假设叶轮外径按V型切割至D"2。
叶轮出口斜切示意图

       4、控制方程及湍流模型

       采用雷诺平均动量方程来描述该泵内的不可压缩流动。湍流模型选用图片模型,该模型最主要的优点为:考虑到壁面上大尺度分离的影响,能有效地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,所以在预测流体机械中三维非定常流动,能得出很好的结果。

       二、计算结果分析

       1、不同叶轮出口斜度的水泵外特性

       利用 CFX 软件对上述三种不同出口斜切角度的叶轮进行数值预测,得到泵的外特性曲线,如图3所示。
三种不同出口斜切角度的叶轮进行数值预测
       可以看出:同一切割角度下,水泵扬程随流量的增加出现单调下降,效率则呈现先增加后下降的变化趋势,与常规水泵外特性的表现方式大体一致。当叶轮切割角度从0°增加至18°时,泵扬程在整个流量区域内依次下降,并无驼峰出现;效率则先增加后减小,最大效率值出现在12°附近,并且大流量下的最高效率点下降明显。为进一步说明上述现象,图4给出了设计工况下不同切割角的叶轮内流场湍动能分布图。
水泵叶轮流道湍动能分丰
       湍动能是指流体的机械能转换或耗散为流体内能的部分能量,湍动能越大, 湍流涡就越剧烈。从图4中可以看出:切割角度在12°时的叶轮出口外缘湍动能相对最弱,而18°时的叶轮出口湍动能相对较大。流体从叶轮出口流向蜗壳产生的较大湍动能,必然会带来叶轮外缘与隔舌附近较大的能量撞击,造成此处流动紊乱,进而引起水泵效率下降。因此,结合外特性及叶轮内流场信息,研究认为,切割角度在12°时的泵水力性能相对较好。

       2、不同叶轮出口斜度的水泵压力脉动特性

       研究表明,不同斜度切割叶轮通常会改变其出口与蜗壳隔舌的径向间隙,从而影响整泵压力脉动的强弱。为进一步探讨其影响,计算对隔舌附近两个监测点S1 (位于叶轮出口) 和P1 (位于蜗壳内)进行了研究,监测点如图5所示。
水泵监测点分布图
测点S1压力脉动时域图
       数据采样时间取计算稳定的后面4个旋转周期。该双吸泵的轴频和叶频为:
       图6和图7分别为1.0Qo工况下不同斜切角度的各测点压力变化时域和频域图。可以看出,测点P1和测点S1的压力脉动频率分别以2倍叶频和轴频为主。当切割角度持续增加时,测点P1主频处振幅缓慢减小,说明动静干涉在蜗壳内的传播受叶轮出口结构的影响相对不敏感。然而这一过程中测点S1的轴频脉动幅值不断减小,表明了隔舌附近的紊流特性随着叶轮出口斜切角度的增加均出现减弱,原因与叶片出口较大的径向间隙导致叶轮及蜗壳隔舌的动静干涉作用较弱有关。详细数据见表1。结合图8所示1.0Qo下不同斜切角度时流道Z=0截面的压力分布可知,伴随着切割角度的增加,叶轮出口处及蜗壳内的高压区呈梯度均匀扩散且压差逐渐减少,因而脉动也减弱。
叶轮与蜗壳流道截面压力分布图
       综上所述,叶轮出口切割角在12°时的水泵效率不但有所提升,同时压力脉动也相对减弱。兼顾水泵效率与脉动特性,研究认为12°是最适合该水泵的叶轮出口斜度。
       基于上述结论,计算通过对大量双吸泵模型进行流场数值模拟并与实测数据对比,统计出了三个常用比转速双吸泵的最佳叶轮外径切割比、最佳叶轮径向间隙比、叶轮出口斜切角β,见表2。
双吸泵出口特性参数的统计数据
       可以看出:水泵比转速在增加的同时,其叶轮流道也逐渐变宽,此时需要较大的切割角度(即隔舌间隙)来削弱动静干涉的相互作用。这三项指标满足任何一个均可实现对叶轮出口结构的改良优化。虽然叶轮出口斜切割后扬程会出现小幅度下降,但合理的切割会带来高效且稳定的水泵运行工况。因而在实际工程应用中,建议切割叶轮时采用斜切割方式,可以在较大程度上提高水泵的水力性能及运行的稳定性。

       三、结论

       1、研究从CFD流场模拟的角度出发,对比分析了一比转速ns=200双吸泵在三种叶轮出口斜度下的水力性能,发现最高效率出现在切割角12°位置,认为该位置时的叶轮内流场外缘湍动能损耗相对较小有关。
       2、泵隔舌附近的压力脉动随着切割角度的增加不断减弱,认为与切割叶轮出口所带来的叶轮与蜗壳隔舌间隙增加,使得二者的动静干涉作用较弱有关。兼顾效率与脉动特性,认为12°是最适合该水泵的叶轮出口斜度。
       3、基于大量数值模拟和实测结果对比给出三个常用比转速双吸泵的最佳叶轮切割角度,并建议工程应用中采用斜切割方式对叶轮进行切割。
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