兩級(jí)離心泵中徑向?qū)~的水力性能范文
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《排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2014年第五期
1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
BQS35－200／2－55／N型礦用潛水泵設(shè)計(jì)流量Q＝35m3／h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H＝200m，轉(zhuǎn)速n＝2980r／min，采用兩級(jí)葉輪，配套功率55kW．葉輪主要水力尺寸：外徑D2＝280mm，出口寬度b2＝10mm，葉片出口安放角β2＝27°，葉片數(shù)Z＝4．導(dǎo)葉主要水力尺寸：基圓D3＝290mm，外徑D4＝370mm，正導(dǎo)葉葉片數(shù)為5．泵的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．徑向?qū)?/a>葉中關(guān)鍵的幾何參數(shù)主要有正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3、喉部面積F3、擴(kuò)散角、反導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α5、反導(dǎo)葉高度b5、反導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2、反導(dǎo)葉出口安放角α6等。由于該泵運(yùn)行流量較小，因而出口絕對(duì)液流角較小，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)較小的正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，而對(duì)于喉部面積的設(shè)計(jì)，通常根據(jù)面積比原理來(lái)確定，Anderson針對(duì)普通離心泵定義面積比系數(shù)Y：但根據(jù)文獻(xiàn)［17］中所統(tǒng)計(jì)得到的面積比系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系來(lái)確定導(dǎo)葉喉部面積仍有一定的不確定性，故文中首先將喉部面積F3（徑向高度×寬度）作為試驗(yàn)研究因素之一；流體流經(jīng)擴(kuò)散段時(shí)，過(guò)流斷面面積增大，因而流速相應(yīng)地逐漸降低，增加壓能，擴(kuò)散角的大小則可能對(duì)于流動(dòng)水力損失有較大影響，故將擴(kuò)散角作為試驗(yàn)研究因素之二；反導(dǎo)葉進(jìn)口安放角通常可由進(jìn)口液流角求得，出于對(duì)礦用潛水泵的軸向尺寸特別是正反導(dǎo)葉過(guò)渡面積比值的考慮，故將反導(dǎo)葉高度b5作為試驗(yàn)因素之三；反導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)于消除流場(chǎng)內(nèi)旋渦、降低流動(dòng)損失同樣起到重要作用，但其具體數(shù)量的優(yōu)劣尚未有依據(jù)可循，故將反導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2作為試驗(yàn)因素之四．考慮到反導(dǎo)葉出口安放角α6對(duì)次級(jí)葉輪的進(jìn)口流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，為了降低次級(jí)葉輪進(jìn)口預(yù)旋，按照常規(guī)選取為90°．現(xiàn)選取F3，，b5，Z2作為試驗(yàn)因素，且分別用代號(hào)A，B，C，D表示，選擇因素水平如表1所示．根據(jù)L9（34）正交表，確定試驗(yàn)方案如表2所示．
2水力模型與數(shù)值計(jì)算
2.1導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖2為徑向?qū)~結(jié)構(gòu)圖．依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)徑向?qū)~分別進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，在UG中進(jìn)行三維造型，其水力模型與實(shí)體造型如圖2所示．其中，b3為導(dǎo)葉進(jìn)口軸面寬度；b4為正導(dǎo)葉葉片出口寬度；b5為反導(dǎo)葉葉片寬度；a3為導(dǎo)葉喉部平面寬度；a4為導(dǎo)葉出口平面寬度；L為擴(kuò)散長(zhǎng)度．?dāng)U散段進(jìn)口喉部面積F3＝a3b3，擴(kuò)散段出口面積F4＝a4b4，擴(kuò)散角按式（2）［6］確定。
2.2CFD分析方法根據(jù)兩級(jí)泵具體的結(jié)構(gòu)尺寸與形式完成整泵水體的造型．由于該泵為內(nèi)裝式隔爆式潛水泵，流體經(jīng)蝸室流出后充滿隔爆外殼與電動(dòng)機(jī)的間隙，最終流出出水法蘭，該部分水體較多，但其流速較小，因而水力損失較小，且其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，故將該部分水體省略．最終全流場(chǎng)包括進(jìn)口段水體、首級(jí)和末級(jí)的葉輪水體、泵腔水體、口環(huán)間隙水體、雙蝸殼水體以及末端泄壓水體．圖3為模擬該泵的計(jì)算區(qū)域，為了得到穩(wěn)定的進(jìn)口和出口流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)進(jìn)口部分和出口部分水體進(jìn)行了適當(dāng)延伸．網(wǎng)格的數(shù)量與質(zhì)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要的影響，利用ICEMCFD軟件對(duì)全流場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)固體壁面處網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，總體網(wǎng)格質(zhì)量在03以上；通過(guò)增加網(wǎng)格數(shù)量的方法降低網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，但過(guò)多的網(wǎng)格數(shù)會(huì)相應(yīng)地增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間，因此也不宜選用過(guò)多的網(wǎng)格數(shù)．文中以額定工況點(diǎn)的外特性作為指標(biāo)，對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，作為對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確性的判斷．圖4為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)外特性的影響，從圖中可看出，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)N在400萬(wàn)以上時(shí)，泵的揚(yáng)程和模擬效率（未考慮機(jī)械效率）的變化較小，文中選取總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為420萬(wàn)，圖5為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分結(jié)果．將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX軟件中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，設(shè)定整個(gè)流道內(nèi)部的流場(chǎng)為三維不可壓穩(wěn)態(tài)黏性湍流流場(chǎng)，建立相對(duì)坐標(biāo)系下時(shí)均連續(xù)方程和動(dòng)量方程．采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，全隱式耦合算法，設(shè)定葉輪旋轉(zhuǎn)速度為2980r／min，葉輪水體處于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，其余水體均處于固定坐標(biāo)系，兩者在交界面耦合，其中泵腔水體中與葉輪前后蓋板接觸面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)面，轉(zhuǎn)速同葉輪轉(zhuǎn)速．邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口，壓力出口，并假設(shè)出口流動(dòng)為充分發(fā)展．固體壁面為無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，設(shè)定收斂精度為10－5．
3結(jié)果與分析
經(jīng)CFD數(shù)值計(jì)算，得到表2設(shè)定的9個(gè)試驗(yàn)方案的模擬結(jié)果，將揚(yáng)程和效率作為試驗(yàn)指標(biāo)，在額定工況Q＝35m3／h時(shí)，9個(gè)導(dǎo)葉方案的揚(yáng)程、效率的數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示．為了確定所選因素對(duì)泵性能的影響，找到主要因素及優(yōu)化方案，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示，其中H為揚(yáng)程；η為模擬效率（未考慮機(jī)械效率）；K1，K2，K3分別為相應(yīng)水平下的試驗(yàn)指標(biāo)之和；珔K1，珔K2，珔K3分別為相應(yīng)水平下試驗(yàn)指標(biāo)的平均值。從表4極差分析中可看出，各列的極差R是不相等的，這說(shuō)明所選試驗(yàn)因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是不相同的．極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，因此極差最大的一列，即因素的水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，就是最主要的因素．經(jīng)極差分析，對(duì)比得到了所選水力幾何參數(shù)對(duì)多級(jí)泵的揚(yáng)程和效率影響的主次順序，分別為F3，b5，，Z2和F3，b5，Z2，．各因素下的水平對(duì)于多級(jí)泵的性能的影響按主次順序自上而下列出，如表5所示．從表5中可看出，因素A對(duì)于多級(jí)泵的揚(yáng)程和效率的影響主次順序一致，同為A1，A2，A3，故可選擇水平A1作為優(yōu)化結(jié)果，而因素B對(duì)多級(jí)泵的揚(yáng)程和效率的影響規(guī)律卻不一致，因素C對(duì)于多級(jí)泵的揚(yáng)程和效率的影響主次順序一致，同為C2，C3，C1，故可選擇水平C1作為優(yōu)化結(jié)果，而因素D對(duì)多級(jí)泵的揚(yáng)程和效率的影響規(guī)律卻不一致．為了分析某一因素對(duì)于多級(jí)泵揚(yáng)程和效率的相對(duì)影響程度，現(xiàn)定義相對(duì)影響指數(shù)。
4試驗(yàn)驗(yàn)證
為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果，根據(jù)正交試驗(yàn)所得到的優(yōu)化方案制作新的徑向?qū)~，進(jìn)行外特性試驗(yàn)．由于礦山中裝置揚(yáng)程較高，故將流量為21～49m3／h的5個(gè)相對(duì)較小流量運(yùn)行工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比．對(duì)比結(jié)果如圖6所示．優(yōu)化后多級(jí)泵額定工況下試驗(yàn)的揚(yáng)程為20545m，機(jī)組效率為3403％；數(shù)值計(jì)算所得額定工況的揚(yáng)程為21170m，泵效率為4763％，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的揚(yáng)程相對(duì)誤差為304％．對(duì)于效率而言，由于試驗(yàn)所得的為機(jī)組效率，若按照標(biāo)準(zhǔn)MT671—2006規(guī)定配套潛水電動(dòng)機(jī)效率約為85．00％，機(jī)組效率模擬值為4048％，但此時(shí)依然未考慮內(nèi)裝式的電泵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的水力損失以及模擬誤差等，數(shù)值模擬結(jié)果略高于試驗(yàn)值，但性能曲線趨勢(shì)基本一致．優(yōu)化之前的原始方案為第5組方案，數(shù)值計(jì)算額定工況的揚(yáng)程為21046m，泵效率為4363％，文中的優(yōu)化使得多級(jí)泵揚(yáng)程提高了124m，泵效率提高了4．00％．5結(jié)論以兩級(jí)葉輪的潛水泵為研究對(duì)象，經(jīng)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合得到徑向?qū)~中所選各參數(shù)對(duì)于多級(jí)泵能量特性的影響．1）所選參數(shù)對(duì)多級(jí)泵揚(yáng)程影響的主次順序依次為：喉部面積、反導(dǎo)葉高度、擴(kuò)散角、反導(dǎo)葉數(shù)；所選參數(shù)對(duì)于多級(jí)泵效率影響的主次順序依次為：喉部面積、反導(dǎo)葉高度、反導(dǎo)葉數(shù)、擴(kuò)散角。2）喉部面積對(duì)于徑向?qū)~的水力性能有重要的影響，在徑向?qū)~的設(shè)計(jì)中需尤為重視．正交數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)對(duì)于徑向?qū)~的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值．
作者：曹衛(wèi)東劉光輝劉冰單位：江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心