混裝不同葉輪的多級(jí)離心泵駝峰性能研究

楊順銀，李林鋒，陳先培

（嘉利特荏原泵業(yè)有限公司，浙江瑞安 325204）

0 引言

離心泵在國民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用廣泛，若其性能曲線存在駝峰，對(duì)泵的運(yùn)行是相當(dāng)不利的。很多相關(guān)泵的標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定，離心泵性能曲線應(yīng)具有穩(wěn)定性，不能存在駝峰，即大流量點(diǎn)至零流量點(diǎn)的揚(yáng)程曲線應(yīng)呈連續(xù)上升趨勢(shì)，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程最高。在離心泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)生駝峰的原因主要有2 種情況：（1）低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的揚(yáng)程-流量曲線容易出現(xiàn)駝峰，這是因?yàn)橐环矫娴捅绒D(zhuǎn)速泵內(nèi)流速高，沖擊損失值大，另一方面，低比轉(zhuǎn)速泵為了減少圓盤摩擦損失多采用較大的葉片出口角以減少外徑，出口角大，理論揚(yáng)程流量曲線平，容易出現(xiàn)駝峰［1］；（2）當(dāng)泵的流量較小時(shí)，葉輪流道較窄，為了制造方便，往往采用加大葉輪出口寬度的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際上也相當(dāng)于加大流量設(shè)計(jì)，而泵卻在小流量工況運(yùn)行，容易出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象［2-3］。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心泵揚(yáng)程-流量曲線的穩(wěn)定性做了大量研究。牟介剛等［4］通過理論揚(yáng)程與葉輪內(nèi)損失的理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)特性曲線形狀進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，得出特性曲線產(chǎn)生駝峰的判據(jù)，并提出減小出口角度、出口寬度、葉片數(shù)能夠提升特性曲線的穩(wěn)定性。楊軍虎等［5］提出影響離心泵揚(yáng)程-流量曲線穩(wěn)定的因素主要順序是葉片進(jìn)口邊前移、葉輪出口邊斜切［6-7］、葉輪軸面傾斜、葉片出口角度、葉片包角。馬皓晨等［8-11］對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵性能曲線產(chǎn)生駝峰現(xiàn)象的內(nèi)流機(jī)理進(jìn)行了研究。但目前很少有人研究除通過改進(jìn)單個(gè)葉輪水力之外的方法來改善泵的揚(yáng)程駝峰［12-16］。本文將通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討多級(jí)泵通過混裝兩種不同水力的葉輪來改善揚(yáng)程駝峰，該方法更加方便靈活，且不會(huì)因改善駝峰而犧牲泵的效率。

1 2 種葉輪設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

以某臺(tái)雙殼體多級(jí)離心泵為研究對(duì)象，如圖1 所示。其參數(shù)為流量Q=338 m3/h、揚(yáng)程H=950 m、轉(zhuǎn)速n=2 985 r/min、效率η=75%、級(jí)數(shù)7 級(jí)、比轉(zhuǎn)速為84。為達(dá)成研究目的，采用相似換算法設(shè)計(jì)了2 種葉輪在相同的蝸殼內(nèi)進(jìn)行混裝，并通過數(shù)值模擬及工廠試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 雙殼體離心泵Fig.1 Double casing centrifugal pump

1.2 2 種葉輪水力設(shè)計(jì)

2 種葉輪水力模型分別如圖2，3 所示，葉輪A 為得到較高的揚(yáng)程和效率，采用了5 葉片窄流道及較大的葉片出口角和較小的葉片包角，但會(huì)有駝峰；葉輪B 為了獲得連續(xù)下降的揚(yáng)程曲線，采用了3 葉片寬流道及較小的葉片出口角和較大的葉片包角。具體參數(shù)見表1。

表1 2 種葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Two kinds of impeller design parameters

圖2 葉輪A 水力模型Fig.2 Impeller A hydraulic model

圖3 葉輪B 水力模型Fig.3 Impeller B hydraulic model

2 數(shù)值模擬

2.1 流體域模型與邊界條件設(shè)置

通過SolidWorks 三維軟件對(duì)多級(jí)泵流體域進(jìn)行建模，流體域主要包括葉輪A、葉輪B 和蝸殼等主要水力部件，流體域模型如圖4 所示。用Ansys CFX 軟件進(jìn)行定常數(shù)值模擬計(jì)算，采用RNGk-ε湍流模型，入口設(shè)置為壓力入口，出口設(shè)置為質(zhì)量流量出口邊界條件，壁面設(shè)置為光滑無滑移壁面。求解器選用SIMPLE 算法，收斂精度為10-4。

圖4 流體域模型Fig.4 Fluid domain model

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢查

使用Workbench Mesh 模塊對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1.64×106后，繼續(xù)加密網(wǎng)格模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，反而會(huì)增加模型計(jì)算的時(shí)間。模型流體域各部件網(wǎng)格數(shù)量見表2。

表2 不同流體域網(wǎng)格數(shù)量Tab.2 Number of grids in different fluid domains

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過Ansys CFX 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到2種葉輪的模擬性能曲線如圖5 所示。

圖5 葉輪A，B 的單級(jí)模擬性能曲線Fig.5 Performance curves of single stage simulation of impeller A and B

通過圖5 可以看出，2 種葉輪水力性能各有優(yōu)缺點(diǎn)：5 葉片的葉輪A 具有較高的揚(yáng)程和效率，但在小流量點(diǎn)的揚(yáng)程有明顯的駝峰；3 葉片的葉輪B 在額定點(diǎn)的揚(yáng)程和效率均低于葉輪A，但具有連續(xù)上升的揚(yáng)程曲線。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 葉輪性能驗(yàn)證

在具有國家級(jí)Ⅰ精度的大型泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行工廠試驗(yàn)驗(yàn)證。分別將葉輪A 和葉輪B 裝配后，進(jìn)行了2 次性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 葉輪A，B 的單級(jí)試驗(yàn)性能曲線Fig.6 Performance curves of impeller A and B in single stage test

從圖6 中可以看出，2 種葉輪的試驗(yàn)結(jié)果與模擬值基本一致。對(duì)比2 種水力模型在額定流量點(diǎn)Q=338 m3/h 時(shí)的性能發(fā)現(xiàn)，葉輪A 實(shí)測(cè)效率為76%，葉輪B 為75%，均略低于模擬值；而葉輪A 和葉輪B 的實(shí)測(cè)揚(yáng)程均略低于模擬值，見表3。出現(xiàn)這種情況的原因主要與葉輪鑄造、模擬條件等因素有關(guān)，其偏差屬于正常現(xiàn)象。

表3 額定點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與模擬值對(duì)比Tab.3 Comparison of the test results at rated points with the simulated values

3.2 混裝葉輪性能試驗(yàn)

3.2.1 混裝葉輪布置

為了驗(yàn)證混裝葉輪后泵的性能及駝峰情況，將2種葉輪按一定數(shù)量比例裝配于7級(jí)研究泵上。葉輪A，B 混裝布置原則，主要是根據(jù)需要達(dá)到泵的性能參數(shù)、泵的級(jí)數(shù)及2 種葉輪水力特性進(jìn)行排列組合，為了轉(zhuǎn)子質(zhì)量的均衡及液體流動(dòng)的規(guī)律性，宜采用間隔布置。本次為7 級(jí)泵，根據(jù)研究目標(biāo)，葉輪按4 個(gè)A 葉輪和3 個(gè)B 葉輪混裝，布置如圖7 所示。

圖7 葉輪A，B 的布置Fig.7 The layout diagrams of impeller A and B

3.2.2 混裝葉輪試驗(yàn)

對(duì)裝配好的7 級(jí)泵在工廠進(jìn)行全性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。當(dāng)額定流量點(diǎn)Q=338 m3/h時(shí)，揚(yáng)程H=960 m，效率η=75.7%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 混裝葉輪性能試驗(yàn)Fig.8 Performance test of mixed impeller

3.2.3 混裝葉輪與單種葉輪試驗(yàn)對(duì)比

7 級(jí)泵混裝葉輪與單獨(dú)裝A，B 葉輪的性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9 所示，可以看出，混裝葉輪后的揚(yáng)程曲線是連續(xù)上升的，沒有駝峰；其額定流量點(diǎn)Q=338 m3/h 時(shí)的揚(yáng)程位于A，B 曲線之間，而效率為75.7%，與A，B 葉輪的效率幾乎重合。說明2種水力的葉輪混裝后，較好地消除了揚(yáng)程曲線的駝峰，但效率卻沒有降低。該方法類似于2 臺(tái)不同特性的泵串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，使其綜合性能滿足設(shè)計(jì)需求。相對(duì)于試驗(yàn)后再通過改變單個(gè)葉輪的葉片數(shù)、葉片包角、葉輪出口寬度等參數(shù)來改善揚(yáng)程駝峰而犧牲效率的方法具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖9 混裝葉輪與單種葉輪試驗(yàn)對(duì)比Fig.9 Test comparison between mixed impeller and single impeller

4 結(jié)論

（1）通過葉片數(shù)為5、出口寬度為23.7 mm 的A 葉輪與葉片數(shù)為3、出口寬度為33.6 mm 的B葉輪進(jìn)行混裝，較好地改善了多級(jí)離心泵小流量區(qū)域的揚(yáng)程駝峰。

（2）效率為76%的A 葉輪與效率為75%的B 葉輪混裝后泵效率為75.7%，不會(huì)因改善駝峰而犧牲泵的效率。

（3）相較傳統(tǒng)的通過改變單個(gè)葉輪水力模型的葉片數(shù)、葉片出口角、葉輪出口寬度等參數(shù)來改善揚(yáng)程駝峰的方法，更加方便靈活，且不需延長制造周期。