夏仲林 余學(xué)軍 劉洪福
摘 ?要:對不可抽芯式低比轉(zhuǎn)速斜流泵,在不改變原泵葉輪流道基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)新型空間導(dǎo)葉體,減小可抽芯泵的筒體直徑,降低泵的成本。本研究采用CFD技術(shù)數(shù)值模擬泵的全流場流動特性,進(jìn)而優(yōu)化空間導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)。研究優(yōu)化后的結(jié)果表明,新設(shè)計(jì)的可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵不僅具有筒體直徑小,而且還具有較好的水力性能,其水力效率高于原泵。本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為開發(fā)新的可抽芯式低比轉(zhuǎn)速斜流泵具有重要的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞:斜流泵;空間導(dǎo)葉;優(yōu)化設(shè)計(jì)
中圖分類號:TH311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
前言
斜流泵,根據(jù)水力性能的劃分又稱為導(dǎo)葉式混流泵,具有流量大、揚(yáng)程適中、效率高、高效區(qū)范圍寬及不抽真空起機(jī)等特點(diǎn)[1],被廣泛應(yīng)用于冶金、市政、礦山和環(huán)保等行業(yè)。國內(nèi)外研究斜流泵的人很多,馬桂超、李寶良[2,3]對斜流泵內(nèi)部流場進(jìn)行了研究,吳波、邴浩、張勤昭、李新華[4-7]對斜流泵的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)和數(shù)值模型進(jìn)行了研究,楊從新、張德勝[8-9]對斜流泵的葉輪和導(dǎo)葉數(shù)量對水泵性能的影響進(jìn)行了研究,裴迎舉[10]對復(fù)合結(jié)構(gòu)的斜流泵導(dǎo)葉進(jìn)行了研究。但是,目前尚未發(fā)現(xiàn)有人對不抽出導(dǎo)葉體的可抽芯斜流泵進(jìn)行研究,目前的抽芯式斜流泵抽芯時仍需要將轉(zhuǎn)子和導(dǎo)葉體一起抽出,對于低比轉(zhuǎn)速斜流泵,由于導(dǎo)葉體外圓很大,相對泵的葉輪外徑要大很多,而抽芯時需要抽出導(dǎo)葉體,因此水泵筒體需要制作得很大,很不經(jīng)濟(jì)。為了解決上述問題,本研究設(shè)計(jì)了一種新型的空間導(dǎo)葉體,導(dǎo)葉體和外筒體固定在一起,其導(dǎo)葉片任何一個處于葉輪最大外徑之外,抽芯時可不必抽出導(dǎo)葉體。
1 新型空間導(dǎo)葉體的結(jié)構(gòu)型式
這里所研究的可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵的導(dǎo)葉體將常規(guī)的導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)葉體的導(dǎo)流錐兩部分,外部的導(dǎo)葉體直接和筒體連接,抽芯維護(hù)時不需要抽出該部分,內(nèi)部的導(dǎo)流錐在抽芯時和轉(zhuǎn)子一并抽出,安裝時,導(dǎo)流錐隨轉(zhuǎn)子一起放下后會和導(dǎo)葉體接觸并由卡槽卡住,故運(yùn)行時,導(dǎo)流錐和和導(dǎo)葉體一起固定不動,如圖1所示。
2 新型空間導(dǎo)葉體的優(yōu)化設(shè)計(jì)
選取一種已有的傳統(tǒng)斜流泵模型進(jìn)行對比,在保持原泵進(jìn)水喇叭口、葉輪室、葉輪不變的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一個新型的導(dǎo)葉體。本研究選擇的原泵的參數(shù)為Q=1080m3/h,H=58m,n=1480r/min,ns=141,葉輪最大外徑480mm,導(dǎo)葉體進(jìn)口處最小直徑485mm,出口最小直徑僅125mm,遠(yuǎn)小于葉輪外徑,因而導(dǎo)葉體不可抽,導(dǎo)葉體內(nèi)壁光滑過渡至導(dǎo)向軸套保護(hù)管并和軸套保護(hù)管連接。新泵設(shè)計(jì)參數(shù)不變,葉輪也保持不變,空間導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)時,導(dǎo)葉體進(jìn)口處尺寸不變,其最小直徑仍為485mm,控制導(dǎo)葉從進(jìn)口到出口各橫斷面的最小徑向尺寸均大于葉輪最大半徑,即保證結(jié)構(gòu)上葉輪可從導(dǎo)葉體中抽出,保持軸面圖從進(jìn)口到出口的面積變化趨勢同原泵一致,原導(dǎo)葉進(jìn)出口角度也保持不變,導(dǎo)葉體外壁出口法蘭與外筒體法蘭連接,導(dǎo)葉體內(nèi)壁最小直徑設(shè)計(jì)為505mm,設(shè)計(jì)一個可抽的導(dǎo)流錐,將導(dǎo)葉體出口的液流光滑地導(dǎo)向軸套保護(hù)管并和軸套保護(hù)管連接,安裝時導(dǎo)流錐放下落于導(dǎo)葉體出口內(nèi)壁上,維護(hù)時導(dǎo)流錐隨泵軸向葉輪一起抽出。
3 斜流泵內(nèi)部流動特性的數(shù)值計(jì)算方法
全流場內(nèi)部流動采用三維不可壓縮N-S方程描述,選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法求解方程。利用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散,壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式,動量、湍動能和耗散率項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式,壁面采用無滑移邊界條件,近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理,進(jìn)出口邊界條件分別采用速度進(jìn)口和自由出流條件。
標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型:
式中:t為時間;V為流體速度;ρ為流體密度;P為壓強(qiáng);ν為流體運(yùn)動黏性系數(shù);g為重力加速度;k為湍動能;ε為耗損率; ; ;各常數(shù)值Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3;xi為坐標(biāo)分量;i、j為張量坐標(biāo)。
4 新型空間導(dǎo)葉體斜流泵內(nèi)部流動特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果
4.1 計(jì)算幾何模型的建立
通過 Solidworks軟件對新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉體、原葉輪及進(jìn)水喇叭三部分的水體進(jìn)行三維造型,如圖2所示。
三維造型后采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示,并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,最終采用的網(wǎng)格數(shù)見表1。
4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析
(1)兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)葉的靜壓分布
對額定工況和0.8倍及1.2倍額定工況點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,額定工況時,新舊兩種導(dǎo)葉片的靜壓力分布對比如圖4所示,從圖可以看出,兩種型式的導(dǎo)葉進(jìn)口壓力梯度均較大,出口趨于均勻,新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉出口靜壓力相比原泵導(dǎo)葉更加均勻,但壓力略低。
(2)兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)葉的速度分布
額定工況時,新舊兩種導(dǎo)葉體的速度矢量分布對比如圖5所示,從圖可以看出,兩種型式的導(dǎo)葉進(jìn)口速度較大,且不均勻,出口逐步趨于均勻,新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉體無論是導(dǎo)葉的進(jìn)口還是出口,其速度矢量相比原泵者更加均勻。
(3)兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下的泵外特性曲線
無論是0.8倍、1.0倍還是及1.2倍額定工況,采用新導(dǎo)葉體的泵揚(yáng)程均比原泵略低,而效率均高于原泵,額定工況點(diǎn)效率高得不多,但大、小流量點(diǎn)效率均比原泵有較大幅度提升。
5 結(jié)論
本研究對兩種型式導(dǎo)葉體下的整泵全流場在三種不同工況下的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。有下列結(jié)果:
(1)在額定流量時,無論是靜壓力梯度還是速度矢量,新導(dǎo)葉體時泵內(nèi)部流動相比原導(dǎo)葉體泵更加均勻。
(2)采用新導(dǎo)葉體時,泵的流量揚(yáng)程曲線略有下降,但效率更高,高效區(qū)更寬。
通過分析比較,進(jìn)而得出該新導(dǎo)葉體的設(shè)計(jì)是成功的,可以作為低比轉(zhuǎn)速斜流泵可抽芯設(shè)計(jì)的一種新的結(jié)構(gòu)方式,該方式可以減小可抽芯泵的筒體直徑,降低泵的成本。
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基金項(xiàng)目:湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵的研究”(項(xiàng)目編號:17C0581)