叶轮和蜗壳匹配关系对离心泵性能影响的研究

1、2008年第36卷第3期#专题研究!石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY9叶轮和蜗壳匹配关系对离心泵性能影响的研究邓文剑楚武利(西北工业大学动力与能源学院)摘要运用计算流体动力学(CFD)技术研究不同蜗壳面积对泵流场的影响,采用六面体结构化网格离散计算区域,数值计算使用NUMECA软件包的Euranus求解器,采用Jameson有限体湍流模型对三维雷诺时均N2积差分格式,并结合2S方程进行求解。模拟结果认为,泵的面积比越大,泵的高效区范围越狭窄,性能曲线越陡峭;扬程曲线随面积比的减小向右上方移动。在设计中实现叶轮和蜗壳的最佳匹配,可使离心泵发挥最佳的工作性能。关键词离心泵叶轮

2、蜗壳面积比:流量Q=18145m/h,扬程H=615m,转速n=1250r/min,比转速ns=76。叶轮主要几何参数为:叶片进口直径D1=75mm,叶片出口直径D2=180mm,叶片进口高度b1=12mm,叶片出口高度b2=9mm,转轴直径dh=40mm,叶轮进口直径D0=65mm,进口叶片角1=25°,出口叶片角,叶片数Z=5。叶轮结2=33°构见图1,叶片为单圆弧圆柱形。蜗壳基圆直径D3=19414mm,蜗室进口宽度b3=28mm,蜗壳采用矩形断面,外型线为对数螺线。文献3给出了该泵详细的试验数据。为描述方便,各叶轮通道编号如图2所示。3引,泵的性能由它们共同决定。但

3、长期以来,人们往往将重点集中在对叶轮的研究上,很大程度上忽略了对泵体以及叶轮和泵体间相互匹配关系的研究。这就造成单叶轮运行性能往往非常优异,一旦和泵体配合起来工作,各项指标都会大幅度下降,如效率值的降幅甚至达到30%以上,并且伴随有振动、噪声等非稳定工况。文献1指出,整级泵中水力损失的60%是由于蜗壳的影响;文献2指出,整级泵中水力损失的20%是由于蜗壳的影响。这个准确的数量关系因具体情况的不同而不同,但是蜗壳对泵性能有相当大的影响的确是客观事实。因此,要大幅度提高泵的各项性能指标,必须解决叶轮和泵体的相互匹配问题。笔者旨在运用计算流体动力学(CFD)技术研究不同蜗壳面积对泵流场的影响,得到泵

4、内部流场和性能的变化规律,为面积比原理的深入研究做一些基础工作。数值模拟11泵的几何参数与计算网格笔者采用H1H1Anderson面积比原理中的定义,所谓面积比即为叶轮出口面积与蜗壳喉部面积值之比。笔者数值计算所用离心泵的面积比为3。泵原10石油机械2008年第36卷第3期在此基础上,笔者针对该叶轮又设计了2个蜗壳(面积比分别为1和5),蜗壳基圆直径和蜗室进口宽度都与初始蜗壳相同,蜗壳也同样采用矩形断面、对数螺线,所不同的是外型线半径,如图3所示。无预旋,总压为1011325kPa,总温为300K(此处总温、总压值为假定周围大气流速为0时的测量值),出口给定流量和流场初始压力。模拟结果分析11

5、模拟结果验证首先对笔者所用模拟方法的有效性和正确性进行验证,将原型泵(面积比为3)的模拟结果和试验值做对比,结果见表1。表1设计工况下泵水力性能试验值与模拟结果对比图3面积比分别为1、3、5的蜗壳项目试验值模拟值流量/(kgs-1)5112551132扬程/m61206113效率/%6510701121数值方法和定解条件笔者采用六面体结构化网格离散计算区域,共用1716585个六面体网格单元。数值计算使用NUMECA软件包Euranus求解器,采用Jameson有限体积差分格式,并结合标准24雷诺时均N2S方程进行求解(1)i0ij+UK=-+9xi9x9xj9t99(2),(模拟的效率511

6、%,原因是在模拟计算中没有考虑因泄漏而引起的容积损失)。21性能对比分析图4给出了3种不同蜗壳下的效率对比图。从图可以看出,最高效率点出现在面积比为3的泵上,高效区最宽的是面积比为1的泵。从图4可以归纳出:面积比小(即蜗壳喉部面积大),泵的高效区范围比较宽,性能曲线变化比较平缓;面积比大(即蜗壳喉部面积小),泵的高效区范围窄,性能曲线陡峭。从流量范围来看,小面积比泵的高效区流量要大于大面积比泵高效区的流量。这与文献6-7的结论是一致的。式中Rij雷诺应力张量,Rij=-uiuj=tSij-t2kij-ij39xK3iSij=+29xj9模型使控制方程封闭采用标准2j=j+i+Dt9xi9xi9

7、9xit+Gb-YM+Sk-+9(3)(4)(5)j=C1j+C3Gb+Dt9xi9xi92t(6)-C2+S+9xi9湍流粘度t的表达式为t=(7)Ck/以上各式中k、C1、C2、C3、C等是已确定的模型常量。计算中采用显式四阶Runge2Kutta时间推进法,为提高计算效率,采用多重网格法,局部时间步长和残差光顺5图43种蜗壳情况下泵效率性能曲线图5给出了3种不同蜗壳下的扬程对比图,可以看出,扬程曲线随面积比的减小(即蜗壳喉部面积的增大)向右上方移动;在小流量区,扬程随面积比的减小有所下降,但在大流量区,扬程随面积比的增大而增加比较明显。在这3个不同蜗壳泵中,扬程曲线都随流量的增加而单调下

8、降,但小面积比泵的扬程曲线变化相对平缓。这个现象与文等加速收敛措施。进口边界条件取2008年第36卷第3期邓文剑等:叶轮和蜗壳匹配关系对离心泵性能影响的研究11献6-7和H1H1Anderson的面积比原理吻合。出现了几处轻微的高速区,在出口扩散段内出现了明显的速度不均匀现象;在面积比为5的泵蜗壳内,高速区的范围和强度增大,出口扩散段内的不均匀现象更加明显,所以它的流场分布要比面积比为1和3的泵蜗壳差。在面积比为1的泵叶轮内,每个通道叶片的压力面上有一小范围的低速区,吸力面上有一薄层高速区,整个通道内没有出现逆流和旋涡现象;在面积比为3的泵叶轮内,各叶片压力面上的低速区范围扩大,速度较低,在第

9、3通道内出现了明显的逆流和旋涡;在面积比为5的泵叶轮内,各个通道内都出现了逆流和旋涡现象,其中第1和第3通道基本上被低速区所占领,在这2个通道内的叶片压力面侧出现了逆流和旋涡,1对旋向相:同样在各,1的泵内流场最优,面积比为5的最这个现象很好地解释了图4中效率性能曲线对比图。离心泵叶轮通道出口处的尾迹射流现象也是水9力损失的一个重要原因,图8给出的是在这3种蜗壳情况下,各自的叶轮出口处尾迹射流情况,从图可以看出,面积比为5的泵尾迹射流现象最明显,叶轮出口处速度分布最不均匀,所产生的水力损失最大;面积比为1的泵的尾迹射流现象最不明显,即出口处速度分布最均匀,水力损失最小;面积比为3的泵居中。8图

10、53种蜗壳情况下泵扬程性能曲线图6为3种不同蜗壳下的泵轴功率特性对比图。面积比为3的泵在最高效率点的右侧出现了轴功率最大值,其他2种情况下泵轴功率都随流量的增加而单调增大,其中面积比为5的泵在大流量区其轴功率增加速度较快,因此它们在工程应用中存在过载现象。图63种蜗壳情况下泵轴功率性能曲线31流场结构分析比较泵的性能特征与其内部流场结构是密切关联的。笔者所分析的3种不同蜗壳结构泵性能的变化,主要是由于其内部流场结构各不相同所致,因此要了解其性能变化的根本原因,为泵设计理论的改进和优化设计水平的进步提供有益的指导,就必须进行详细的流场结构分析。图7是这3个泵在各自的最优效率工况下,叶片展向中间截

11、面位置的相对速度矢量图。图8泵叶轮流道出口处速度矢量图结论(1)泵的面积比越大(即蜗壳喉部面积小),图7泵叶片展向中间截面速度矢量图泵的高效区范围越狭窄,性能曲线越陡峭。(2)扬程曲线随面积比的减小(即蜗壳喉部面积的增大)向右上方移动,在小流量区,扬程随面积比的减小有所下降,但在大流量区,扬程随面积比的增大而增加的比较明显。(3)面积比为3的泵在最高效率点的右侧出现了轴功率最大值,其他2种情况下轴功率都是随从上面的相对速度矢量图可以发现,在3种蜗壳情况下,其蜗壳内的流场相对叶轮内的流场来说,分布比较均匀、流畅。其中面积比为1的泵蜗壳内的流场分布最为均匀;面积比为3的泵蜗壳内12石油机械7112

12、008年第36卷第3期流量的增加而单调增大,其中面积比为5的泵在大流量区其轴功率增加速度更快。(4)在面积比为5的泵蜗壳内,高速区的范围和强度增大,出口扩散段内的不均匀现象更加明显,所以它的流场分布要比面积比为1和3的泵蜗壳差。(5)同样在各自的最高效率工况点,3个泵各自叶轮内流场优劣情况大不相同,面积比为1的泵叶轮内流场最优,面积比为5的最差。(6)面积比为5的泵尾迹射流现象最明显,叶轮出口处速度分布最不均匀,所产生的水力损失最大;面积比为1的泵尾迹射流现象最不明显,即出口处速度分布最均匀,水力损失最小。综上所述可以看出,叶轮和蜗壳的匹配确实能对离心泵的工作性能产生非常大的影响,因此在设计中

13、实现叶轮和蜗壳的最佳匹配,可以使离心泵发挥出最佳的工作性能。参考文1StepanoffAJflowpumps-Theorydesignandapp2nded1NY:Wiley,1975:283-30212EschBPM,KruytNP1Hydraulicperformanceofamixed2flowpump:UnsteadyInviscidcomputationsandlossmodels.TransactionsofASME,2001(6):62-3陈松山,周正富,葛强,等1低比转数离心泵叶轮内部流动的测量1扬州大学学报(自然科学版),2006,9(1):74-7814康顺,陈党慧1用CF

14、D研究高压比离心叶轮内的二次流动1航空动力学报,2005,20(6):1054-106015胡运聪,周新海1二维振荡叶栅非定常粘性流动数值模拟1应用力学学报,2003,20(3):79-8116金树德,陈次昌1现代水泵设计方法1北京:兵器工业出版社,1993:37-11217袁寿其,曹武陵1用正交试验法设计无过载离心泵1水泵技术,1991(3):11-1618杨小林,严敬,邓万全,等1离心泵叶轮轴向旋涡流的PIV测量1石油机械2005,33(7):1-3191(2):47-491第一作者简介:邓文剑,生于1980年,2004年毕业于西北工业大学飞行器动力工程系,现为西北工业大学在读博士生,主要

15、研究方向为流体机械的数值模拟及优化设计。地址:(710072)陕西省西安市。电话:E-mail:dengwenjian219sina1com。(029)88486082。收稿日期:2007-09-15(本文编辑南丽华)国内首台4000m车橇组合钻机在南阳二机集团研制成功2007年由南阳二机石油装备(集团)有限公司研制的2台“4000m车橇组合钻机”顺利完成性能综合试验,通过了专家组的验收,即将发往普光气田,这是成功研制7000m橇装钻机后,为普光气田开发生产出的第2批新产品。普光地处川东北的宣汉县,地理环境特别复杂,普光气田投入开发不到1个月,中原、胜利等油田就委托南阳二机集团,针对普光气田的

16、特殊地理环境和施工作业条件,研制适宜的特种钻井装备。南阳二机集团于2006年5月成立了普光气田特种钻井装备项目研发小组,6月“4000m车橇组合钻机”项目方案通过评审并签署设备供货合同。从此,“4000m车橇组合钻机项目”在南阳二机集团正式启动。常规的车装钻机技术不适合普光地区的交通和施工现状,为此,南阳二机集团技术中心项目设计小组从接到任务开始,就通过各种渠道搜集相关信息,认真分析可能遇到的各类问题,反复寻求解决方案,终于找到了既能充分发挥南阳二机生产车装钻机成熟的技术水平,又能真正满足和符合用户的使用需求,适应川东北地区特殊环境的钻机设计方案。“4000m车橇组合钻机”项目方案得到了西南局、中原和胜利等油田相关钻采专家的肯定。同时,南阳二机集团为确保项目的生产运行,专门设置了“普光项目绿色通道”,从配套件的购置到生产调度的优先运行,公司上下各部门全力配合,共同协作,第1批钻机的2台样机终于在2007年整体组装完成,顺利进入总装调试阶段。新研制的4000m车橇组合钻机,由车载模块和钻台模块2部分联体工作,绞车、转