含沙水雙吸泵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與流場分析

曹博濤， 袁越錦， 馬琛昭， 趙乾坤， 趙 于

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

雙吸泵具有流量大、氣蝕性能好、維修方便等特點，被廣泛地使用在黃河沿岸的泵站中.據(jù)統(tǒng)計，雙吸泵的安裝量占黃河沿岸泵站的泵安裝總數(shù)的90%以上[1,2].然而，由于黃河水含沙量高，在輸送含沙流體時，雙吸泵葉片表面磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)穿孔，葉輪環(huán)附近泥沙聚集嚴(yán)重，加劇葉輪口環(huán)的磨損，嚴(yán)重影響泵站的安全運行[3-5]；目前傳統(tǒng)的解決方法是增強(qiáng)葉片材料耐磨性能.另一方面，當(dāng)流體介質(zhì)中含有固相顆粒時，會加劇邊界層的分離，流動更加紊亂，嚴(yán)重時會有漩渦產(chǎn)生，導(dǎo)致嚴(yán)重的水力損失[6,7].因此研究含沙水流中雙吸泵的內(nèi)部流動狀況，對傳統(tǒng)雙吸泵做出結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，具有重要的理論意義和實際工程需要.

近些年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值計算方法的不斷完善，數(shù)值模擬方法在離心泵的兩相流研究中得到廣泛應(yīng)用[8-12]，相較試驗方法，數(shù)值模擬省時省力，便于優(yōu)化設(shè)計.本文以某泵站運行的ASP200-390R型單級雙吸式離心泵作為研究對象，針對原模型泵輸送沙水介質(zhì)時，存在葉片磨損嚴(yán)重，葉輪口環(huán)附近泥沙聚集，泵效率低下的問題，本文提出了減小葉片安放角并在葉輪蓋板外側(cè)開楔形槽的雙吸泵改進(jìn)方案，使用FLUENT軟件分別對改進(jìn)前后的沙水雙吸泵流場進(jìn)行分析.

1 葉輪改進(jìn)方案

雙吸泵的磨損主要發(fā)生在葉片表面，同時對泵性能的影響也最大，通過減小葉片安放角可以減緩葉片表面的磨損.原模型泵葉片包角為120 °，葉片入口角為23 °，葉片出口角為27.5 °.葉片入口角由葉輪入口流動參數(shù)決定，本文不做改變，改進(jìn)后的葉片出口角減小為25 °，同時為了使葉片流線光滑，改進(jìn)后的葉片包角增大為140 °.減小葉片安放角可以減緩葉片磨損，但是葉片入口段的安放角不能太小，否則葉輪進(jìn)口處的過流面積過小，會影響葉輪的汽蝕性能，導(dǎo)致汽蝕與沙粒的聯(lián)合作用，加劇葉輪的磨損.原葉輪進(jìn)口邊不在同一個軸面，角度相差10 °，為了增強(qiáng)葉輪入口處的汽蝕性能，將葉片進(jìn)口邊的角度差增大為20 °.改進(jìn)前后的兩種葉輪的具體結(jié)構(gòu)見圖1所示.

(a)原葉輪 (b)改進(jìn)葉輪圖1 改進(jìn)前后的兩種葉輪結(jié)構(gòu)

葉輪口環(huán)處的磨損主要是由于泥沙聚集導(dǎo)致的，考慮到增加楔形槽能夠提高葉輪口環(huán)附近的流速[13]，增強(qiáng)流體對泥沙的攜帶能力，本文在葉輪蓋板外側(cè)加一圈楔形槽，降低口環(huán)附近的泥沙濃度.圖1是改進(jìn)前后的兩種葉輪結(jié)構(gòu).

2 計算模型與方法

2.1 物理模型

采用ASP200-390R型單級雙吸式離心泵作為研究對象，雙吸泵主要結(jié)構(gòu)為進(jìn)口法蘭內(nèi)徑Ds=250 mm，出口法蘭內(nèi)徑Dp=200 mm，葉輪入口直徑D1=190 mm，葉輪外徑D2=390 mm，葉片數(shù)Z=10，葉輪出口寬度d2=46.5 mm.

使用Pro-E三維設(shè)計軟件對模型泵進(jìn)行流體域幾何建模，同時為了使模型泵進(jìn)出口流動的更充分，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別延長模型泵進(jìn)出口管，延長距離是進(jìn)出口內(nèi)徑的2倍.整個流體域包括吸水室、葉輪、壓水室、進(jìn)出口延長管，流體域模型見圖2所示.

圖2 雙吸泵三維流體域模型

使用ICEM軟件對流體域幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，劃分了網(wǎng)格數(shù)分別為102萬、126萬、179萬等7組不同的網(wǎng)格，并通過FLUENT軟件計算出不同網(wǎng)格數(shù)的揚程，如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

由圖可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于250萬時，模型泵的揚程趨于穩(wěn)定.因此采用網(wǎng)格數(shù)量250萬進(jìn)行模擬計算可行.最終雙吸泵網(wǎng)格劃分見圖4所示.

圖4 雙吸泵三維全流道網(wǎng)格

2.2 數(shù)學(xué)模型

雙吸泵在輸送沙水介質(zhì)時，流體介質(zhì)可以看做不可壓縮流體，流動狀態(tài)簡化成三維穩(wěn)態(tài)流動.同時，雙吸泵流場內(nèi)溫度基本不變，不考慮熱量的交換；不考慮氣蝕對流場的影響，流體介質(zhì)不包括氣態(tài)水.文中采用的控制方程為[14]:

(1)

(2)

式(2)中：P為控制體上的壓力，Pa；μ為動力粘度，Pa·s；f為控制體上的質(zhì)量力，N.

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在預(yù)測雙吸泵這種有回流和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的流動時會出現(xiàn)失真[15].RNG k-ε模型對k-ε模型進(jìn)行了修正，考慮了流動中旋轉(zhuǎn)流動的影響，因此重整化湍流模型可以很好的模擬雙吸泵這種內(nèi)部流道曲率大的旋轉(zhuǎn)流動，提高強(qiáng)應(yīng)變流動的模擬精度[16,17]，本文采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬.

采用歐拉模型作為多相流模型，液態(tài)水作為主相，固體沙粒作為次相.沙粒密度取2 650 kg/m3，根據(jù)原型泵運行泥沙記錄，沙粒粒徑取0.036 mm，沙粒體積分?jǐn)?shù)取5%.

2.3 計算方法與邊界條件

本文使用FLUENT軟件對前文所建的雙吸泵模型進(jìn)行數(shù)值求解.采用SIMPLE算法求解壓力—速度耦合，控制方程的擴(kuò)散項采用中心差分格式[18-20].對于對流項，本文采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時模型泵內(nèi)雷諾數(shù)較高，綜合考慮，計算開始時使用一階迎風(fēng)格式加速收斂，待計算收斂到一定程度后，使用二階迎風(fēng)格式提高精度.殘差精度取1.0×10-4，同時通過監(jiān)測雙吸泵出口表面平均壓力，當(dāng)出口壓力不再變化時，也可以認(rèn)為流場收斂.

參考壓力設(shè)置為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，位置選在雙吸泵進(jìn)口面.考慮重力影響，重力大小取9.8 m/s2，方向根據(jù)幾何模型判斷.

進(jìn)口延長管、吸水室、壓水室和出口延長管屬于靜止計算域；葉輪屬于旋轉(zhuǎn)區(qū)域計算域，采用多重參考系模型.

進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口.出口邊界采用自由流動.所有的壁面采用無滑移壁面邊界條件，葉輪壁面和泵軸壁面設(shè)置成旋轉(zhuǎn)壁面，壁面粗糙度取50μm[21].

3 模型驗證

為了驗證數(shù)值模擬模型和方法的準(zhǔn)確性，利用某公司的離心泵測試平臺對模型泵進(jìn)行了清水外特性測試，測試平臺如圖5所示.

圖5 離心泵試驗臺

以清水作為介質(zhì)，分別對0.6Q～1.4Q不同流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬，讀取各工況模型泵進(jìn)出口總壓和葉輪扭矩，計算得到模型泵的揚程和效率，并與測試數(shù)值進(jìn)行對比如圖6所示.

從圖6看出，整體上模擬曲線和測試曲線變化趨勢相同.同流量下，模擬值和測試值相差不大，一致性好.在小流量工況，模擬揚程比測試揚程偏??；在設(shè)計流量工況和大流量工況，模擬揚程比測試揚程偏大；在全流量工況，揚程誤差在4%以內(nèi).在0.6Q～1.4Q流量工況，模擬效率均比測試效率偏大，誤差在2%以內(nèi).由于存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，數(shù)值模擬結(jié)果和測試結(jié)果的誤差客觀存在，不可避免.通過對比模擬結(jié)果和測試結(jié)果，證明本文所建立的雙吸泵數(shù)值模擬模型和模擬方法具有較高的可行性.

圖6 數(shù)值模擬與試驗性能曲線對比

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 壓力分析

圖7是設(shè)計流量工況下改進(jìn)前后葉輪蓋板表面的靜壓分布云圖.從圖7分析可知，改進(jìn)后葉輪進(jìn)口附近的低壓區(qū)范圍均比原葉輪小，最低壓力值也大于原葉輪，改進(jìn)后葉輪的抗汽蝕性能得到增強(qiáng).

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖7 改進(jìn)前后葉輪蓋板表面的靜壓分布

4.2 流線分析

圖8是設(shè)計流量工況下改進(jìn)前后葉輪流道中間截面的流線分布.觀察葉輪流道，發(fā)現(xiàn)原葉輪流道葉輪流道靠近壓力面的的地方出現(xiàn)不同程度的漩渦，造成泵的性能下降.改進(jìn)后的葉輪流道內(nèi)流線分布均勻，沒有明顯的脫流和漩渦，泵的水力效率提高.

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖8 改進(jìn)前后葉輪中截面的流線分布

4.3 湍動能分析

圖9是設(shè)計流量工況下改進(jìn)前后葉輪中間截面的湍動能分布云圖.分析圖9可知，原葉輪壓力面附近出現(xiàn)較為明顯的高湍動能區(qū)，說明此處的流態(tài)紊亂，產(chǎn)生較大的水力損失；改進(jìn)后葉輪的湍動能分布均勻，原有的高湍動能區(qū)消失，葉輪流道基本沒有較大的湍動能區(qū)和湍動能集中，只有在葉輪出口附近有一小塊高湍動能區(qū)，這是由于流體對壓水室的沖擊作用造成的，不可避免，這也與圖7中的流線分析一致.

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖9 改進(jìn)前后葉輪中截面的湍動能分布

4.4 葉片磨損分析

圖10是設(shè)計流量工況下改進(jìn)前后葉片表面的沙粒體積分?jǐn)?shù)分布.不難發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后葉片壓力面進(jìn)口邊附近的高濃度沙粒區(qū)范圍明顯減小，尤其是靠近葉輪蓋板和輪轂附近高濃度消失；改進(jìn)后葉片壓力面中部的沙粒分布更加均勻，沙粒體積分?jǐn)?shù)也得到降低；改進(jìn)后葉片壓力面出口邊蓋板附近沙粒濃度得到降低，但是在葉片壓力面出口中部出現(xiàn)一小塊高濃度區(qū).

圖11是設(shè)計流量工況下改進(jìn)前后葉片表面的磨損率分布.對比改進(jìn)前后的葉片磨損強(qiáng)度，可以看出改進(jìn)后葉片壓力面的高磨損區(qū)消失了，吸力面出口的磨損強(qiáng)度有所下降.通過對葉片表面的沙粒濃度和磨損率分析，證明減小葉片安放角可以有效降低葉片壓力面進(jìn)口和吸力面出口的沙粒濃度，改善葉片表面的泥沙磨損.

(a1)改進(jìn)前壓力面 (a2)改進(jìn)前吸力面

(b1)改進(jìn)后壓力面 (b2)改進(jìn)后吸力面圖10 改進(jìn)前后葉片表面的沙粒體積分?jǐn)?shù)

(a1)改進(jìn)前壓力面 (a2)改進(jìn)前吸力面

(b1)改進(jìn)后壓力面 (b2)改進(jìn)后吸力面圖11 改進(jìn)前后葉片表面的磨損率

4.5 葉輪口環(huán)磨損分析

圖12是改進(jìn)前后葉輪蓋板外側(cè)的沙粒固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖.從圖中不難看出，原雙吸泵葉輪蓋板外側(cè)大部分區(qū)域的沙粒濃度分布均勻，但是在葉輪口環(huán)附近沙粒固相體積分?jǐn)?shù)急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙吸泵進(jìn)口的沙粒固相體積分?jǐn)?shù)(0.05)，這也就意味著固體顆粒在在葉輪口環(huán)附近淤積，加快了口環(huán)的磨損.改進(jìn)后的葉輪蓋板外側(cè)在口環(huán)附近沙粒體積分?jǐn)?shù)明顯降低，略高于雙吸泵進(jìn)口沙粒固相體積分(0.05).由此可見，在葉輪蓋板外側(cè)出口采用楔形槽能夠提高葉輪口環(huán)附近流體速度，增強(qiáng)水流對泥沙的攜帶能力，大幅度減小口環(huán)附近的沙粒體積分?jǐn)?shù)，減緩葉輪口環(huán)的磨損.

(a)改進(jìn)前

(b)改進(jìn)后圖12 改進(jìn)前后葉輪蓋板外側(cè)的沙粒體積分?jǐn)?shù)

4.6 外特性對比

圖13是輸送沙水時，0.6Q～1.4Q流量工況下雙吸泵的外特性參數(shù)和性能曲線.從圖13可以看出，改進(jìn)后雙吸泵的揚程略低于原模型泵的揚程，減小約1.5%，這是因為減小葉片安放角會降低葉輪出口速度的圓周分量，使得揚程減小，本文主要考慮的是提高模型泵的效率，揚程略微減小是可接受的，可以通過增加葉輪外徑提高揚程.改進(jìn)后雙吸泵的效率高于原雙吸泵，提高約1.5%，和原雙吸泵相比，高效率區(qū)有向小流量偏移的趨勢.總體上來說，這是一次成功的結(jié)構(gòu)改進(jìn).

圖13 改進(jìn)前后雙吸泵的性能曲線對比

5 結(jié)論

(1)對比原模型泵和改進(jìn)后的雙吸泵流場，改進(jìn)后的葉輪入口附近低壓區(qū)減小，增強(qiáng)了葉輪的抗汽蝕性能；改進(jìn)前葉輪壓力面附近存在大面積的漩渦，改進(jìn)后的葉輪流場得到改善，葉片壓力面附近流態(tài)良好，漩渦消失，水力損失減小.

(2)通過分析改進(jìn)前后葉片表面的固相濃度和磨損率，減小葉片安放角可以有效降低葉片壓力面進(jìn)口和吸力面出口的沙粒濃度，改善葉片表面的泥沙磨損.

(3)通過分析葉輪蓋板外側(cè)流場，采用楔形槽能夠提高葉輪口環(huán)附近流體速度，增強(qiáng)水流對泥沙的攜帶能力，大幅度減小口環(huán)附近的沙粒體積分?jǐn)?shù)，減緩葉輪口環(huán)的磨損.

(4)通過分析原模型泵和改進(jìn)后雙吸泵的外特性參數(shù)，在0.6Q～1.4Q流量工況，改進(jìn)后的雙吸泵揚程略低于原模型泵，減小約1.5%，效率高于原模型泵，提高約1.5%.