對(duì)水泵流道入口流場(chǎng)分析以及過(guò)流部?jī)?yōu)化

摘要：文章采用UG軟件對(duì)給水泵的流道入口流場(chǎng)部分進(jìn)行了三維建模，應(yīng)用ANSYS12.0平臺(tái)中的AM模塊將流道入口生成網(wǎng)格，然后利用CFX模塊數(shù)值來(lái)計(jì)算三維流體，發(fā)現(xiàn)不均勻的出口速度，而流道入口的部分壓力出現(xiàn)了較大損失，由此對(duì)流道過(guò)流部分布進(jìn)行了改變，并調(diào)整了過(guò)流部角度，以此將流道入口水力性能進(jìn)行提升。

關(guān)鍵詞：給水泵；流道入口；水力性能；閉式葉輪；UG軟件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH311 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.016

通常在工程工業(yè)領(lǐng)域，會(huì)用到離心泵進(jìn)行各類酸、堿、鹽、石油及水等液態(tài)介質(zhì)的輸送。在核電廠對(duì)給水泵的要求較高，一般要求給水泵要具備較好的流場(chǎng)特性和較好的整體水力性能。而臥式高速離心式給水泵采用的是閉式葉輪，其作功效率高、性能佳，能滿足核電廠的需求。液體從靜止流道沖入旋轉(zhuǎn)流道的過(guò)渡區(qū)是從背導(dǎo)葉出口至葉輪入口區(qū)段，在該區(qū)段的拐彎陡急，撞擊、渦流極易產(chǎn)生，其液體的流暢性是保障水泵葉輪給水效率的非常重要的因素。葉輪入口水流流動(dòng)性極大地影響了其水力性能，首級(jí)葉輪入口流動(dòng)較為復(fù)雜，需要分析其入口流動(dòng)特性，以此設(shè)計(jì)出更為合適、效率更高的首級(jí)葉輪，從而使得首級(jí)葉輪設(shè)計(jì)滿足汽蝕性能要求。在有限的條件下要進(jìn)行核電站常規(guī)島給水泵的流道入口的部分優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善首級(jí)葉輪進(jìn)水的流場(chǎng)特性。某個(gè)340MW核電常規(guī)島給水泵FK2E39M流道入口存在流程性問(wèn)題，進(jìn)而影響到葉輪的作功效率。本文采用UG軟件對(duì)給水泵的流道入口流場(chǎng)部分進(jìn)行了三維建模，計(jì)算三維流體，發(fā)現(xiàn)不均勻的出口速度，而流道入口的部分壓力出現(xiàn)了較大損失。然后重新設(shè)計(jì)了流道過(guò)流部分布，也對(duì)過(guò)流部角度進(jìn)行調(diào)整，在設(shè)計(jì)變動(dòng)中，發(fā)現(xiàn)改變過(guò)流部分布方式會(huì)加重出口速度分布的惡化，從而檢驗(yàn)了當(dāng)前的流道入口過(guò)流部分布方面的技術(shù)是科學(xué)的；進(jìn)而對(duì)過(guò)流部角度進(jìn)行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)此方式在較大程度上將出口處速度的均勻性提高了，使得泵體的整體水力性能也得到了改善。

1 離心式水泵工作原理

離心式水泵的組成部分主要有葉輪、葉片、外殼、泵軸以及軸承五個(gè)部分。啟動(dòng)水泵前，必須要向泵腔和吸水管注滿水，將里面的空氣排凈。打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，通過(guò)泵軸來(lái)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)水在受到葉輪旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力的作用，被甩向葉輪四周至泵殼，水經(jīng)過(guò)排水管流到地面。此時(shí)在葉輪中心的進(jìn)水口位置成為了真空狀態(tài)，這是因?yàn)樗呀?jīng)被拋到輪緣造成的，在大氣壓的作用下，吸水井中的水被迫進(jìn)入濾水器、底閥、吸水管，最終到達(dá)水泵的葉輪中心，這樣，葉輪中心在往復(fù)地吸水、甩出的過(guò)程中就形成了連續(xù)不斷的排水。

由此，離心泵的葉輪是最主要也是唯一的作功部件，對(duì)葉輪進(jìn)行分類，有閉式、開(kāi)式、半開(kāi)式三種型式。其中開(kāi)式葉輪的組成部件為輪轂和徑向葉片，葉輪的葉片槽道均為敞開(kāi)的側(cè)面，而葉片槽道和機(jī)殼內(nèi)壁形成了氣體通道，此種葉輪布局不利于通道氣體的流動(dòng)，并且會(huì)損失較大的葉輪和機(jī)殼之間引起的磨擦鼓風(fēng)，由此為低效率的葉輪。對(duì)于半開(kāi)式葉輪，其輪盤(pán)將葉片槽道的一側(cè)封閉，只敞開(kāi)了另一側(cè)，這就比開(kāi)式葉輪減少了流動(dòng)損失，其缺點(diǎn)是較大的葉輪側(cè)面間隙導(dǎo)致部分氣體從出口倒流至入口，產(chǎn)生較大的內(nèi)漏和不佳的效率。只有閉式葉輪的做功效率最高，主要分為輪盤(pán)、葉片和輪蓋三部分，將氣體密封裝在輪蓋上避免了內(nèi)漏損失，氣體流動(dòng)性也非常好，由此其效率為三種葉輪中最高的，此外，閉式葉輪還有拆裝方便、檢修容易的優(yōu)點(diǎn)。本文研究的是閉式葉輪。

2 數(shù)值方法

2.1 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格

離心泵的流道入口分為兩個(gè)組成部分，分別是進(jìn)水段和過(guò)流部，而水泵入口就是進(jìn)水段，流道的過(guò)流部出口連接到水泵首級(jí)葉輪。流道入口的作用是進(jìn)行流體的分離，將流體方向進(jìn)行改變。在圖1中顯示的是流道入口的三維流體的計(jì)算域。

本文計(jì)算流道入口三維流體，采取了非均勻四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行流場(chǎng)劃分，總共分成了1767821個(gè)網(wǎng)格單元。由于進(jìn)水段部分的結(jié)構(gòu)偏簡(jiǎn)單，所以采取六面體網(wǎng)格；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的過(guò)流部，則采取四面體網(wǎng)格法能夠更好地將尖角區(qū)域進(jìn)行撲捉。根據(jù)流道流場(chǎng)中的流速分布規(guī)律，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，要把有較大流速梯度的區(qū)域劃分成較密的網(wǎng)格，主要位于進(jìn)水段與過(guò)流部的連接位置、導(dǎo)流翼尖、導(dǎo)流翼近壁區(qū)，這樣有利于獲得較好的計(jì)算結(jié)果。

2.2 邊界條件

在進(jìn)行了“N-S方程”的特征分析后，對(duì)本文的建模和計(jì)算給出如下的邊界條件：

第一，進(jìn)口條件。設(shè)定前置泵的出口壓力和流動(dòng)方向?yàn)閆軸。這里有假設(shè)條件：（1）葉輪出口處向上的水流速度為均勻分布；（2）此水流也不存在軸向速度分量，通過(guò)葉輪進(jìn)出口的“歐拉方程”得到流動(dòng)角度。

第二，出口條件。前提給出了出口流量為M=280

kg/s，要確保計(jì)算域上的整體流動(dòng)達(dá)到連續(xù)性條件，就需要分析進(jìn)出口流量的差值，從而修正出口斷面流速。

第三，壁面條件。給出了絕熱和沒(méi)有滑移的各個(gè)條件要求。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 過(guò)流部分布方式

和當(dāng)前技術(shù)的流道入口過(guò)流部分布方式不同，在原型中的流道入口導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成于來(lái)流流體正對(duì)，而新技術(shù)的新型流道入口過(guò)流部分布方式改成來(lái)流流體正對(duì)著兩導(dǎo)葉之間，具體如圖2所示：

根據(jù)兩種過(guò)流部分布方式的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬分析可以得到兩種流道分布出口速度分布云圖，對(duì)比兩圖，發(fā)現(xiàn)新型分布方式的過(guò)流部具有極大的出口處速度梯度分布，而原型分布方式的出口速度梯度呈現(xiàn)出明顯的降低。

根據(jù)計(jì)算，得到原型分布出口的中心線處是19.9～25.9m/s的速度分布范圍和V=6m/s的速度差，得出新型分布是19.7～27.8m/s的速度分布范圍和V=8.1m/s的速度差，用橫坐標(biāo)表示出口中心線的位置，而該位置點(diǎn)的速度值用縱坐標(biāo)表示。

對(duì)兩種過(guò)流部分布方式的流道入口的進(jìn)出口平均壓力值和入口流體的壓力損失進(jìn)行記錄分析，得到兩種過(guò)流部分布方式中，新型過(guò)流部分布方式的內(nèi)流場(chǎng)壓力損失提高了22000Pa，和進(jìn)口壓力相比，增加了5.1%的壓力損失。由此得知若改變過(guò)流部分布方式，會(huì)使得出口處的速度分布惡化，并且也增加了流道入口的壓力損失，表示現(xiàn)有的流道入口過(guò)流部分布較為合理。

3.2 調(diào)整過(guò)流部角度方式

這里對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)流部和未旋轉(zhuǎn)過(guò)流部的流道入口流場(chǎng)部分（后文簡(jiǎn)稱為有旋導(dǎo)流和無(wú)旋導(dǎo)流）進(jìn)行研究，在計(jì)算分析后得出了出口速度梯度云圖，如圖4所示：

從圖4看到，有旋導(dǎo)流出口速度梯度要比無(wú)旋導(dǎo)流出口速度梯度小，其高壓區(qū)只在流道入口流體進(jìn)口部分集中，然而無(wú)旋導(dǎo)流分布方式有三處高速分布區(qū)域分布在內(nèi)流場(chǎng)，并出現(xiàn)了較差的出口速度均勻性。

通過(guò)對(duì)出口中心線速度分布曲線進(jìn)一步的分析，得到無(wú)旋過(guò)流部結(jié)構(gòu)為19.9～25.9m/s的速度分布范圍和V=6m/s的速度差；有旋過(guò)流部的則是22.4～26.2m/s的和V=3.8m/s。表示改進(jìn)后的有旋過(guò)流部具有更好的流道入口出口的流速均勻性。

通過(guò)記錄兩種流道入口進(jìn)出口平均壓力值、壓力損失，看到有旋導(dǎo)流中的壓力損失出現(xiàn)了較小的增加，增加了3279Pa，僅是進(jìn)口總壓的1%。

4 結(jié)語(yǔ)

第一，通過(guò)過(guò)流部分布方式反的改變，使得出口處的速度分布惡化和極大地加大壓力損失。表示已有的流道入口過(guò)流部分布的技術(shù)比較合理。

第二，改進(jìn)后的有旋過(guò)流部使得流道入口出口的流速均勻性得到很好的改善，只出現(xiàn)了很小程度的增加壓力損失，這將給水泵整體性能進(jìn)行很好的提高。

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作者簡(jiǎn)介：王靖（1970-），男，山西太原人，廣州市昕恒泵業(yè)制造有限公司工程師，研究方向：水泵設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）