叶片数对多级离心泵性能的影响

叶片数对多级离心泵性能的影响

在多段式水泵中，叶片是一个重要的过流元件，叶片结构的合理设计对整个泵的性能和优缺点起到了重要作用。fsb。而作为叶轮结构的重要参数之一的叶轮叶片数,对多级离心泵的水利性能影响甚大。合理地选取叶片数,一方面考虑尽量减小叶片的排挤和表面摩擦;另一方面又要使叶片流道有足够的长度,以保证液流的稳定性和叶片的充分作用［２］。增加叶轮的叶片数目则可以提高叶轮的理论压力,因为它可以减小相对漩涡的影响,但是,叶片数目的增多,将增加叶轮通道的摩擦损失,导致泵的效率下降。实验研究作为流体力学发展过程中重要的研究手段之一,存在周期长、费用高等缺点。近几十年,随着计算机技术和流体动力学(CFD)的发展,利用CFD技术对影响泵水利性能因素的研究,已成为多数企业及研究院从事泵结构改造及研发等的重要手段。现在,国内一些学者在这一领域已取得许多成就［３－７］。国外有学者对两相流泵进行数值模拟,得出液流角对两相流泵汽蚀和效率的影响［８］,进行热泵利用地下水对房屋供热与供冷系统的模拟［９］等。本文利用Ansys中的Fluent对叶轮叶片数影响多级离心泵水利性能进行研究,模拟的对象为某公司多级离心泵D100-80×12的首级水力部件,其中包括叶轮和导叶,模拟的叶轮叶片数分别为4,5,6,7,8。泵的参数:流量Q=100m３/h,单级扬程H=80m,转速n=2950r/min,比转速C=67。1叶根是直的,型面为直的模型泵的叶轮叶片为扭曲叶片,叶尖扭曲,叶根是直的,型面不规则。导叶为径向导叶,有正反叶片,第2节中图都以叶轮叶片数6片为例,图1为叶轮叶片木模及导叶2维图。1.1叶轮几何模型的建立采用pro/E对叶轮及导叶水体部分进行3维建模,步骤如下:(1)在Pro/E中圆柱坐标下,输入叶片木模图中工作面与背面的数据点,然后由点连线,再由线生成曲面,对曲面上不合理的点要进行适当的调整使叶片表面更加光滑,再把生成的曲面进行边界混合及合并后实体化,最后对叶片进行阵列,把生成的叶片保存为stp文件。(2)在Pro/E下根据尺寸的定位关系,在pro/E草绘图中绘制叶轮的轴面投影图,再旋转得到实体。(3)用开始保存好的叶片stp文件剪切流道实体,得到计算所需要的叶轮流道的3维实体模型图。(4)根据导叶的2维画3维,把得到叶轮导叶实体进行组装,在相同坐标系下分别保存导叶和叶轮的stp文件。图2为叶轮、导叶及导叶叶轮组装水体3维图。1.2叶片网格加密在pro/E中生成3维模型后,把保存好的叶轮及导叶的stp文件依次导入gambit中进行体网格划分,网格类型为混合网格(Tet/Hybird),网格大小(spacesize)为4,为了模拟的真实性,在叶片的进口处都需要进行网格加密。网格划分完后需要进行网格质量检查,主要检查网格的扭曲度(扭曲度为0时最好,一般要小于0.9)。对要进行模拟的5组水体网格进行检查,其结果都在0.81左右,符合网格质量要求。叶轮及导叶的网格划分见图3,完成后的网格划分详细情况见表1。1.3出轴向速度模型对泵内部流动而言,主要存在进口边界、出口边界和固壁边界。(1)进口边界。对于不可压流动,进口边界取为速度入口边界条件(velocity-inlet)。在计算出轴向速度时,假设进口边界上无切向速度与径向速度,并且轴向速度是均匀分布的,因此根据流量即可计算出进口速度。(2)出口边界。在计算区域的出口边界上,流动情况完全由区域内外部推测得到,可以认为流动己充分发展,即对上游的流动参数没有影响,故取自由出流边界条件(outflow)。(3)固壁边界。对于叶片的工作面和背面及叶轮轮毂面都设置为固壁边界(wall),因不存在壁面有抽吸或喷射等情况,所以固壁表面取为无滑移边界条件。对壁面的k,ε,可根据标准壁面函数法进行取值。2力耦合计算方法为分析叶片数对多级离心泵扬程效率的影响,对仅改变叶片数目的多级离心泵5种首级水力部件进行内部流场模拟,其模型设置为:采用雷诺时均Navier-Stokes方程,运行的参考压力为标准大气压,不考虑重力,流体按湍流对待,选择k-ε湍流模型,速度压力耦合方式采用Simplec算法。以清水为介质,介质密度为998.2kg/m３,运动黏度为0.001003kg/(m·s)。计算的收敛精度设置为10×10－５。其中主要的数学计算方程如下。质量守恒方程:动量守恒方程:式中:ρ是密度;t是时间;u是速度矢量;P为流体微元体上的压力(静压);F为作用在微元体上的体积力。能量守恒方程;式中:cｐ为比热容;T为温度;k为传热系数;S为黏性耗散。进入计算区域后,湍流运动变得很强烈,进出口界面上湍动能k和耗散率ε根据下式计算［１０］。湍动能表达式:式中:U为平均流动速度;I是湍流强度;RｅＤＨ是按水力直径DＨ计算得到的Reynolds数,对于圆管,水力直径DＨ等于圆管直径,对于其他几何形状,按等效水力直径确定。湍动能耗散率表达式:式中:Cμ=0.0845;l=0.07L;L为进口端特征长度。3模拟结果分析3.1叶轮与导叶的压力分布根据实验及模拟经验,在叶轮和导叶内,压力分布从入口到出口呈逐渐升高趋势。图4为泵内导叶和叶轮内部平面位置Z=0的静压分布图。从图4中可知,叶轮内的压力大致呈梯形分布,压力从进口到出口压力逐渐增大;在叶轮到导叶的喉部位置,面积逐渐减少,压力分布改变了梯形分布,但压力分布的大体趋势符合正常规律。把图4中5组叶片数分别为4,5,6,7,8的静压分布进行对比,叶轮叶片数为4,5,7,8时,叶轮与导叶连接的圆周方向静压分布明显不对称,造成泵内压力脉动,引起泵振动,造成噪音。从叶片数为6片的图中可以看出,在叶轮与导叶中静压分布非常均匀,压力分布梯度明显,此压力分布有利于泵的运行,并且不会增大压力脉动造成的能量损失。3.2叶片数对叶片流场的影响流体在叶轮流道内受叶轮高速旋转提供的离心力做功作用,速度随着旋转半径增大而增加。导叶内流体不再获取能量,随着径向半径增大,速度会随着半径的增大而减小。所以在整个流场中在叶轮出口处速度达到最大。在叶片对液流的排挤和摩擦作用下,在叶轮的叶片的背面都出现了脱流的现象。对图5中5组叶片数分别为4,5,6,7,8的相对速度分布图进行分析,叶片数为4,5,7,8时,叶轮与导叶连接的圆周方向速度分布都不均匀,造成流体对叶轮和导叶的冲击不均,引起振动,泵长期在这种环境下运行,会造成零件的疲劳破损带来经济损失。叶片数为4,5,7,8时,叶轮出口的相对速度都非常大,根据能量守恒定律可知,这样减少了叶轮出口的压力,导致泵的扬程下降。当叶片数为6片时,流场内的相对速度分布相对均匀,都在相同位置达到最大。所以,当叶片数为6时,流场中相对速度分布最合理。4泵的单级扬程和效率计算性能预测的关键是对泵内损失的计算,多级离心泵内的水力损失侧重于叶轮和蜗壳(导叶)中流道损失。Fluent软件进行数值模拟后,Fluent后处理可输出泵轴的扭矩和叶轮进出口压力,计算出泵的效率与扬程,依此可对泵的性能进行预测。扬程计算公式:式中:Pｉｎ,Pｏｕｔ分别叶轮的进出口压力;Δh为泵进出口到基准面的位差。效率计算公式:式中:H为扬程;ρ为流体的密度;Q为流体的流量;g为重力加速度;M为扭矩;w为叶轮旋转角速度。根据Fluent后处理输出的扭矩和进出口压力值,计算出泵的单级扬程和效率如下:当叶片数Z=4时,效率约为68.5%,扬程为76.6m;叶片数Z=5时,效率约为69%,扬程为78.5m;叶片数Z=6时,效率为70.68%,扬程为80.3m;叶片数Z=7时,效率约为69.03%,扬程为84.9m;叶片数Z=8时,效率约为66.5%,扬程为82m。进行对比得知,当叶片数为4、5、6、7时,随着叶片数增多,泵的单级扬程增加;叶片数为8时,扬程下降。由此推出,泵的效率在叶片数为6时达到最大。5流场内部的压力根据对叶轮叶片数为4,5,6,7,8时的多级离心泵首级水力部件内部