轉(zhuǎn)速變化對(duì)離心泵性能的影響

韓晨 張紅欣 湯吉昀 妥林

摘?要：為了探討轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵水力性能的影響，本文以不同轉(zhuǎn)速離心泵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法得到不同轉(zhuǎn)速下離心泵定常流動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)分布規(guī)律和外特性曲線。研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心泵的揚(yáng)程和功率都會(huì)增加，但效率會(huì)有所下降，并分析了不同轉(zhuǎn)速下壓力云圖和速度云圖的分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加靠近隔舌位置的葉輪流道會(huì)有明顯的沖擊損失，在離心泵轉(zhuǎn)速增加的情況下，液體在進(jìn)入泵內(nèi)時(shí)的動(dòng)能增加，泵的攪拌效應(yīng)也增強(qiáng)，進(jìn)一步改善了泵的性能。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，液體在進(jìn)入泵內(nèi)時(shí)的動(dòng)能會(huì)大幅增加，引起能量損耗和渦流損失，影響泵的效率和性能。

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值模擬；轉(zhuǎn)速

泵作為工程常用流體機(jī)械，其作用就是為輸送的流體供能［1］，離心泵由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、便于使用和維修方便等優(yōu)點(diǎn)可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。例如農(nóng)業(yè)水利工程、城市給排水、火電廠等行業(yè)，交通、醫(yī)藥等國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門［23］。轉(zhuǎn)速是離心泵性能參數(shù)中較重要的參數(shù)之一，轉(zhuǎn)速的變化將直接影響到其他幾個(gè)重要參數(shù)的明顯改變［4］。因此本文從離心泵的三維建模開始，模擬分析了離心泵在不同轉(zhuǎn)速工況下的性能差異［5］。

轉(zhuǎn)速是影響離心泵性能的重要因素。2012年，彭天好［6］等對(duì)不同轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速降落的原因進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過編制Lab?View測(cè)控程序，最后，實(shí)現(xiàn)了變速泵控電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在不同工況下的轉(zhuǎn)速降補(bǔ)償，2016年，齊濟(jì)［7］等研究了離心泵轉(zhuǎn)速對(duì)工作點(diǎn)參數(shù)的影響，利用離心泵特性曲線測(cè)定裝置，當(dāng)閥門開度不變時(shí)，通過測(cè)試多組離心泵不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行，測(cè)量了系統(tǒng)管路在不同開度下的特性曲線，探討了離心泵在實(shí)驗(yàn)條件下的合適管路，為離心泵在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能高效利用提供了依據(jù)，2017年，楊陽［8］等對(duì)深井泵在不同轉(zhuǎn)速工況下的性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和仿真實(shí)驗(yàn)，分別在多組不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了多工況數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論：深井泵在不同轉(zhuǎn)速下的水頭和功率預(yù)測(cè)值基本符合相似轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則，泵效率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

基于以上原因，采用數(shù)值模擬方法研究轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能影響的必要性越來越高。通過數(shù)值模擬方法，本文分別以2300r/min、2850r/min、3400r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵的性能進(jìn)行研究，以獲取離心泵在不同轉(zhuǎn)速下的流量、揚(yáng)程、效率等性能參數(shù)，為離心泵優(yōu)化和工程設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

1?離心泵的物理模型及數(shù)值模擬方法

1.1?離心泵物理模型

本文選取的離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Q=35m3/h、揚(yáng)程H=30m、轉(zhuǎn)速n=2850r/min，該模型的具體參數(shù)如表1所示。離心泵全流場(chǎng)模型示意圖如圖1所示。

1.2?離心泵的網(wǎng)格劃分

兼顧計(jì)算精度和可信度，采用ICEMCFD為網(wǎng)格劃分軟件，選擇?Tetra?/?Mixed網(wǎng)格類型，考慮到葉輪葉片進(jìn)口位置和蝸殼隔舌位置面積相對(duì)較少，因此對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，進(jìn)口延長(zhǎng)段和出口延長(zhǎng)段以及葉輪和蝸殼的網(wǎng)格如圖2所示。

2?性能分析

2.1?不同轉(zhuǎn)速壓力云圖分析

圖3～圖5是通過CFXPost處理后的三組不同轉(zhuǎn)速下葉輪、蝸殼與葉片的壓力分布云圖如下：（注：A、B、C分別表示2300r/min、2850r/min與3400r/min）

從圖3中可以看出，不同工況下葉輪內(nèi)壓力由中心向邊緣呈梯度增加，各個(gè)流道間壓力分布相似，葉輪進(jìn)口壓力分布最低。當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，泵的進(jìn)口壓力隨著流量的增加而逐漸升高，隨著轉(zhuǎn)速的增大，泵的進(jìn)口壓力開始下降。

這是由于離心泵轉(zhuǎn)速增加，流量增大，液體在進(jìn)入泵內(nèi)時(shí)會(huì)受到更強(qiáng)的離心力，導(dǎo)致在泵的進(jìn)口處形成一個(gè)較強(qiáng)的低壓區(qū)。同時(shí)，離心泵的出口壓力也隨著流量增加而上升，從而增大了壓力差，使得進(jìn)口壓力越來越低。

從圖4中可以看出，當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于進(jìn)入蝸殼的液體流量較小，流體沿著蝸殼內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體會(huì)與蝸殼內(nèi)壁產(chǎn)生垂直方向的沖擊，從而使蝸殼壁處的壓力降低。隨著離心泵轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)入蝸殼的液體流量增大，流線逐漸變得平緩，沖擊現(xiàn)象降低，使得蝸殼內(nèi)徑各處的壓力分布更加均勻。離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，流體的流動(dòng)速度會(huì)增加，可能引起蝸殼葉輪入口處低壓區(qū)的位置向后移動(dòng)，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，導(dǎo)致蝸殼壓力分布不均勻。

從圖5中可以看出，當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流量較小，葉輪葉片前緣處的進(jìn)口壓力比后緣處低。隨著離心泵轉(zhuǎn)速的逐漸增大，進(jìn)入葉輪的流量增大，由于在離心作用下葉片前緣處低壓區(qū)開始擴(kuò)大。如果離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，流體流動(dòng)過程可能會(huì)出現(xiàn)邊界層分離，從而引起葉片失速現(xiàn)象。

2.2?不同轉(zhuǎn)速速度云圖分析

圖6顯示了離心泵蝸殼速度云圖的分布，可以看出轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵速度云圖的影響比較明顯，當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流體速度相對(duì)較低，導(dǎo)致云圖中速度的變化不太明顯。隨著離心泵轉(zhuǎn)速的逐漸增大，流量增大，流速增加，云圖中速度的變化則變得明顯，云圖速度出現(xiàn)明顯的局部高流速區(qū)域。離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，流體的速度將大幅增加，高流速區(qū)域進(jìn)一步增多。同時(shí)從圖中可以看出，在低轉(zhuǎn)速下葉輪流道內(nèi)部存在較為明顯的低漩渦區(qū)間，隨著轉(zhuǎn)速的增大，由于流體通過葉片時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)向和加速，會(huì)導(dǎo)致流體分離和紊流區(qū)域的強(qiáng)化，從而漩渦區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)散，進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速漩渦區(qū)會(huì)減小，這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，隨著慣性力的增加，流體可以克服漩渦的作用并與主流重新結(jié)合，從而減少或消除漩渦區(qū)域的存在。

2.3?不同轉(zhuǎn)速速度矢量場(chǎng)分析

從圖7可以看出，進(jìn)口處流體流動(dòng)相對(duì)均勻，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口的流速逐漸增大。這是因?yàn)檫M(jìn)入葉輪之后的流體，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)而對(duì)其做功，并受到離心力的影響，流體的能量不斷升高。從圖中也可以得出結(jié)論，蝸殼隔舌處的液體流動(dòng)情況非常復(fù)雜。隔舌區(qū)域具有很明顯的撞擊，液體在這里受到很大的擠壓，所以在此處的動(dòng)力損失比較大。

2.4?轉(zhuǎn)速變化對(duì)揚(yáng)程、軸功率、效率的影響

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下工作時(shí)其效率最高，達(dá)到79.1％，當(dāng)隨著轉(zhuǎn)速的改變時(shí)，泵的效率也會(huì)隨之改變，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，效率也會(huì)增加至最大值。如若再增大轉(zhuǎn)速，效率就下降得比較明顯，離心泵的揚(yáng)程和功率隨著轉(zhuǎn)速的增加會(huì)持續(xù)增加。

3?結(jié)論

（1）離心泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，液體的動(dòng)能增加，進(jìn)口處的靜壓力降低，所能承受的最大負(fù)壓降低，從而使得離心泵的揚(yáng)程增加。

（2）隨著離心泵的轉(zhuǎn)速增大，流體進(jìn)入泵內(nèi)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能的速率增加，因此泵的動(dòng)能損失增加，對(duì)泵的效率也會(huì)產(chǎn)生重要影響，隨著轉(zhuǎn)速的增加離心泵的效率先增加后降低。

（3）蝸殼隔舌處的液體流動(dòng)情況非常復(fù)雜。隨著轉(zhuǎn)速的增加，隔舌區(qū)域具有很明顯的撞擊，液體在這里受到很大的擠壓，所以在此處的動(dòng)力損失比較大。

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基金項(xiàng)目：2022年新疆維吾爾自治區(qū)自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202210997002）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021D01C008）

作者簡(jiǎn)介：韓晨（1994—?），男，漢族，甘肅天水人，碩士，助教，從事離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)和氣固多相流研究。

*通訊作者：妥林（1993—?），男，東鄉(xiāng)族，新疆伊寧縣人，碩士，助教，從事數(shù)值計(jì)算研究。