空间导叶对离心泵性能的影响

空间导叶对离心泵性能的影响

1带空间导叶的热膨胀问题空间导叶又称导叶，主要特点是轴向长，径向短，用于各种井的泵、导叶泵和混流泵。熔盐泵是一种立式离心泵,用于高温硝酸盐、亚硝酸盐、离子膜烧碱的输送,并广泛用于三聚氢胺、制盐、制碱及尿素等化工流程中,正常工作温度在250～420℃之间,多采用空间导叶或流道式导叶作为压出室来消除不对称热膨胀可能引起的故障。针对熔盐泵带有空间导叶的典型结构,进行内部流场的研究十分必要。由于试验研究费用高、周期长,CFD方法已被国内外众多学者用来研究离心泵内三维湍流场。在国外,Roberge对泵叶轮内流场进行了研究并分析了泵动力学特性,FelixA.Muggli对混流泵在不同工况下的外特性进行了数值计算并与试验进行了对比,在国内,郭鹏程、罗兴锜等对离心式叶轮和蜗壳内的流场进行了计算,黄思、吴玉林利用大涡模拟湍流模型对离心泵进行了全三维流场模拟,都得到了叶轮及蜗壳内较清晰的流场分布。以上学者均是对叶轮及蜗壳进行内部流场或外特性研究,国内对带有空间导叶的离心泵内流场的数值研究还较少。本文以带有空间导叶的离心泵为研究对象,在三种工况下,对包括吸入室、叶轮和导流壳在内的全三维湍流场进行数值计算。由于叶轮内的流场前人研究较多,在此不再赘述。本文着重研究导流壳内的流场分布,该结果可以为试验研究和改善空间导叶的水力性能提供参考。2物理模型和控制矩阵2.1周向均匀泵采用n级扬程法针对石化、冶金工业中采用的比转速ns=104的泵,其基本参数为:流量Q=300m3/h,单级扬程H=36m,转速n=1450r/min。泵进口直径d0=200mm,出口直径d2=200mm,叶轮叶片为6片,空间导叶为7片,分别沿周向均匀分布。由于叶轮后盖板倾斜,为避免二次回流,斜切叶轮后盖板外径,叶轮和导流壳去掉前(上)盖板的造型如图1所示。2.2叶轮同步转动及boussi微模型吸入室、导流壳与叶轮的耦合采用了多重参考坐标系法,把泵内流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场,将非定常问题用定常方法计算。假定泵以匀角速度ω旋转,建立与叶轮同步转动且Z轴与叶轮轴线重合的坐标系,基于Reynolds时均化的N-S方程,采用标准k-ε湍流模型和Boussinesq涡粘性系数假设,连续性方程和动量方程的张量形式为:∂(ρui)∂xi=0(1)∂(ρui)∂xi=0(1)∂(ρujui)∂xi=fi−∂p∗∂xi+∂∂xj[μe(∂ui∂xj+∂uj∂xi)](2)∂(ρujui)∂xi=fi-∂p*∂xi+∂∂xj[μe(∂ui∂xj+∂uj∂xi)](2)式中各符号的含义参见文献。3数值方法3.1过流通道造型计算计算区域为吸入室、叶轮和导流壳内的过流区域。考虑到整体结构的复杂性,首先利用三维造型软件Pro/E分别对吸入室、叶轮和导流壳的过流通道造型,然后利用前处理软件GAMBIT划分网格,再利用商用CFD软件FLUENT进行计算。计算中湍流模型采用标准k-ε模型,非耦合隐式求解,压力速度耦合采用SIMPLEC算法,动量、湍动能及湍流耗散率的离散采用二阶迎风格式。3.2自适应的kin3/2in/d在泵入口,假定速度均匀并垂直于进口截面,根据设计流量给定速度初值。设定进口湍动能kin和湍流耗散率εin的值为:{kin=0.01w2εin=cμk3/2in/d(3){kin=0.01w2εin=cμkin3/2/d(3)式中w——泵进口轴向速度,m/scμ——常数,取cμ=0.09d——泵进口水力直径,m在泵出口,假定所有变量扩散通量为零,即出口平面从前面的计算结果得到,设定自由出流边界条件;吸入室、叶片、叶轮前后盖板和空间导叶的壁面均采用无滑移固壁条件;在近壁区,由于雷诺数较小,不能使用标准k-ε模型,故采用壁面函数法处理,同时可根据实际情况考虑壁面粗糙度的影响。4导叶空间导叶设计导流壳的主要作用是:收集从叶轮中流出的液体,并将其输送到下一级叶轮入口或泵出口;将液体的动能转换为压能;尽量消除液体在下一级叶轮入口处的预旋。由此可见,导流壳是一个重要的能量转换部件,其水力结构及其与叶轮匹配的优劣对离心泵性能有着重大影响,有资料表明导流壳内的水力损失约占泵内水力损失约至40%～50%。本文在设计空间导叶时,进口边采用正冲角,即空间导叶的进口安放角大于叶轮出口的绝对出流角,以减小叶片的扭曲和便于加工铸造;喉部过流断面面积与叶轮出口过流断面面积之比约为1;出口安放角为90°,以消除流体的旋转分量。4.1径流壳内流道内的流速图2、3分别给出了设计工况下单个流道内流体沿导流壳盖板间流面的速度分布和压力分布。图4、5分别给出了设计工况下流体沿空间导叶工作面(凹面)和背面的速度分布和压力分布。叶轮对流体做功,流体由叶轮出口高速旋转流出进入导流壳,在导流壳进口附近流速较大,主要为圆周分量。由于设计空间导叶时,进口边采用正冲角,此时流经导叶背面的流体经过的路径比工作面长,因而在进口附近,导叶背面和导流壳流道内靠近导叶背面的区域流速较大,压力较小;导叶工作面和导流壳流道内靠近导叶工作面的区域流速较小,压力较大。在导流壳的导流与扩压作用下,沿导流壳盖板间流面流体流速逐渐降低,圆周分量逐渐减小,而压力逐渐增加,在导流壳喉部之后,流道内存在从导叶背面指向工作面的正压力梯度。在导流壳出口附近,流体沿轴向流出,工作面附近速度与压力均比背面附近略大,但周向梯度不大,说明出流较均匀。4.2流量对流道内部流动分离的影响图6为叶轮出口速度三角形,虚线表示大流量工况,点划线表示小流量工况。当流量减小为0.8Q时,叶轮出口轴面流速减小,绝对速度减小,绝对出流角减小,则空间导叶进口冲角增大,此时沿空间导叶背面流动的流体边界层提前分离,并在分离点后形成一旋涡区(见图7a),若流量继续减小,则进口冲角更大,流动分离严重扩张,以至充满流道的相当大部分区域,使损失大大增加,破坏了正常流动,发生流道内的失速现象。反之,当流量增大为1.2Q时,叶轮出口轴面流速增大,绝对速度增大,绝对出流角增大,在导流壳进口接近无冲击入流,故导流壳进口处速度分布较均匀,其内部未出现流动分离现象(见图7b),若流量继续增加,冲角减小变为负值,此时,流体射向空间导叶背面,在工作面出现流动分离现象,但流量增加时轴面流速增加,由于流体在导流壳内的惯性作用,一定程度上限制了流动分离的扩大化。无论是在小流量还是在大流量工况下,导流壳内的压力分布均与设计工况下变化趋势类似,并未因在小流量工况时发生流动分离现象而在空间导叶背面附近区域产生明显的压力梯度增加。图7～9分别给出了0.8Q和1.2Q工况下,单个流道内流体沿导流壳盖板间流面的速度分布以及流体沿空间导叶工作面和背面的速度分布。5流道内发生压力(1)在导流壳进口,空间导叶背面附近区域流速较大,压