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大流量高揚程管線泵的流場模擬和優化設計

   日期:2018-04-08     瀏覽:3654    
核心提示:目前國內設計制造的大流量雙吸泵轉速普遍較低,無法滿足市場的需求。針對這一現狀,大耐泵業有限公司成功研制出高轉速、大流量、高揚程的雙吸泵。

大耐泵業有限公司 許金鵬(116620)

沈陽廣播電視大學 邱海斌(110003)

大耐泵業有限公司 曲鵬(116620)

江蘇大學 流體機械工程技術研究中心 曹璞鈺(212013)

煙臺陽光泵業有限公司 李陽 (264100)

【摘要】目前國內設計制造的大流量雙吸泵轉速普遍較低,無法滿足市場的需求。針對這一現狀,大耐泵業有限公司成功研制出高轉速、大流量、高揚程的雙吸泵。該類型泵設計難度極大,對制造和裝配工藝要求較高。本文基于三維設計和CFD技術,詳細介紹了設計及優化過程。樣機經試驗驗證,確認效率等關鍵參數達到國際領先水平。

【關鍵詞】 大流量 高轉速 高揚程 雙吸泵 數值模擬 效率 國際領先

一、前言

管線增壓泵是一種水平中開、單級雙吸、大流量、高轉速的化工泵,API610標準BB1型泵。目前市場上該類型泵,大部分采用四級或六級轉速。低轉速泵設計難度低,但泵頭尺寸比較大,制造成本高。大耐泵業有限公司研制的該類型泵為二級轉速,在相同的流量下,具有更高的單級揚程。由于對泵效率的要求極其嚴苛,必須達到國標A線標準,使得該泵的水力設計成為難點中的難點。

如今,CFD技術已經廣泛應用于水泵性能的預測、水力部件的設計和優化。本文基于數值模擬技術,結合大耐泵業雙吸泵設計制造的成熟經驗,對某規格的管線增壓泵進行水力設計并提出優化方案。經試驗驗證,確認綜合性能達到國際領先水平。

二、葉輪設計與性能預測

設計參數如下

流量Q:3600 m3/h 揚程H:230 m 轉速r:2990 rpm 必需汽蝕余量NPSHr:35m

1.葉輪設計

計算比轉速,并且比照已有成熟高效的水力模型,決定通過相似換算的方法來設計葉輪。

對通過相似換算得出的葉輪進行三維造型,如圖1所示。之后使用網格生成軟件ICEM 對葉輪三維模型進行網格劃分,如圖2所示。葉輪采用非結構四面體網格,對葉片工作面、背面和葉片入口這樣流動參數變化劇烈的位置進行網格加密。自動生成網格,自動或手動修改網格,使網格整體質量達到0.4以上,最終網格數量為602681。將網格導入CFX-pre 軟件,設置葉輪入口面屬性為inlet流速v=13.7m/s,葉輪出口面屬性為open,轉速n=2980rpm,使用標準k-ε湍流模型,單獨模擬葉輪,計算在100步內收斂。

計算數據導入CFX-post軟件中進行分析。觀察葉片與前后蓋板壓力分布情況,葉輪流線,如圖3、4??梢源_定葉輪整體性能良好,壓力均勻變化,流線穩定無漩渦。利用CFX-POST軟件中自帶Liquid Pump Performance模塊,得到葉輪效率為96.9%。由于單獨對葉輪進行模擬,只觀察流場和壓力分布情況,得到的揚程外特性并不準確,在此忽略。

三、泵體水力設計與性能預測
1.壓出室設計
基圓直徑D3
參考模型泵體水力模型相似換算,并由結構參數選取
基圓D3=1.1×D2=1.1×470=517 mm,圓整后取520mm。
壓水室進口寬度
經相似換算后,取渦室截面寬度b3=146mm
渦室各斷面面積的計算
因該規格泵體需要配0.5 Q、0.7 Q、Q、1.25 Q 四種規格轉子,故在相似換算的基礎上,適當放大了喉部截面的面積,以適應大流量轉子的性能要求。根據D3、b3及各斷面面積就可以算得各斷面徑向尺寸。由起始截面開始,每45°取一個截面,保證渦殼斷面面積均勻變化。泵體初步水力設計結束。
2.泵體水力性能預測
為了驗證泵體水力性能,對泵體部件進行三維造型。將已設計的葉輪與泵體部件配合后以*.stp格式輸出,導入ICEM軟件中進行網格劃分,如圖5。進出口管道流體區域采用結構化網格,葉輪、渦殼、半螺旋型吸入室采用非結構四面體網格,并對渦殼隔舌處進行加密處理,手動修改網格使網格整體質量達到0.4以上。整體網格數量為2486227,其中出水段為98400,葉輪563092,進口段141825,渦殼917451,吸入室417790。

網格導入CFX-pre軟件,使用標準k-ε湍流模型,進口邊界按流量設置進口速度,出口邊界設置為open,目標壓力設23atm。每兩個相鄰模型體間設置交接面(interface),非旋轉體與非旋轉體間interface models設置為general connection,frame change model設置為none,非旋轉體與旋轉體間interface models設置為general connection,frame change model設置為frozen rotor。該模型在0.6Q,0.8Q 0.9Q,1.0Q,1.1Q,1.2Q這6個流量點進行模擬計算。計算2000步,雖然計算不收斂但是進出口壓力長時間穩定,計算數據可以使用。
計算數據導入CFX-post軟件中進行分析。使用Liquid pump performance模塊得出外特性參數,結果低于設計要求,對渦殼內壓力分布和流線進行分析,如圖6。

流體在擴散管處產生了很大的漩渦,從第Ⅵ斷面開始,壓力分布沒有均勻變化。也就是說,渦殼水力設計存在缺陷,造成大量能量損失,這是該水力設計效率偏低的直接原因。
四、泵體水力優化與預測
基于對流場的分析,決定改變渦殼第Ⅳ斷面以后的斷面面積,并且增大隔舌螺旋角,以提高能量回收效率。重新設計渦殼后,用同樣的方法對新方案進行模擬分析,優化后的渦殼壓力分布和流線情況如圖7所示。渦殼的壓力分布明顯變得均勻,沒有出現明顯漩渦,可見能量高效的由速度能轉化為壓能,效率提高。外特性參數與優化前對比,如圖8示。優化方案已經達到設計要求。

五、性能試驗及對比分析
經過全尺寸樣機的試制及試驗,實測結果與理論計算的對比如下表:

六、結語
試驗結果表明,本文所述的設計和優化方法,對大流量、高揚程、高轉速雙吸泵的設計有一定的指導作用,并且得出以下幾點結論:
1.額定點揚程比設計值高。是因為設計時人為增大相似系數和放大喉部面積導致的;
2.以相似換算為基礎的設計方法,在一定范圍內,可以保證實型泵效率達到或超過模型泵的效率,這需要依據實型泵的流量范圍而定。
3.CFD技術在對泵的水力設計有較大的促進作用,但如何選擇合適的湍流模型,尚需要進一步摸索。

參考文獻
`1` 關醒凡.現代泵理論與設計.北京:宇航出版社,2011.
`2` 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用`M`.北京:清華大學出版x社,2004.
`3` 李紅,袁建平,湯躍,趙斌娟,等.雙吸離心泵性能提高及其試驗研究`J`..農業機械學報,36(12),2005.
`4` 張克危.流體機械原理`M`.北京:機械工業出版社,2000.

 
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