叶轮切割方式对双吸离心泵性能的影响

叶轮切割方式对双吸离心泵性能的影响
赵万勇;李传振;薛亚丽;颜韶华;魏乐敏
【摘要】为了研究不同切割方式对双吸离心泵性能的影响,采用理论分析的方法对工程实际应用中的泵切割进行了理论阐述,并以1200S56型双吸泵为模型进行了切割,采用Fluent软件对各切割模型进行数值模拟,分析其相应的外特性的变化并对其内部流场变化进行研究.结果表明:在工程应用中,当泵的性能不能满足要求需要对叶轮进行切割时,若叶轮出口处为圆柱形叶片时,平切效果好于V切;若叶轮出口处为扭曲叶片时,V切效果更好;且对叶轮进行切割后,其性能均下降,所以不管是平切还是V 切,切割量都不宜过大,要根据泵自身的情况选择合适的切割方式.
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2016(042)003
【总页数】5页(P57-61)
【关键词】离心泵;数值模拟;叶轮切割;性能变化
【作者】赵万勇;李传振;薛亚丽;颜韶华;魏乐敏
【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;上海阿波罗机械股份有限公司,上海201401;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TH311
双吸离心泵的应用非常广泛,与单吸泵相比,它有较大的流量；与混流泵比,它有较高的扬程[1].一般当泵的扬程过高需要进行叶轮切割时,平切基本上就可以满足要求[2].但是,在实际工程中对某些中、高比转速双吸离心泵的叶轮外径进行平切后,通过试
验发现虽然扬程下降了,可是功率基本没变.针对这种情况,研究人员将其叶轮外径进行了V切(通常V切是指对双吸泵叶轮进行的对称斜切,以前盖板顶点为基点对叶片进行的反三角形切割),发现V切后泵的效率比平切高 [3].
近年来,随着计算流体力学及CFD等相关软件的广泛应用,国内外学者对泵的叶轮切割开展了大量研究.MARIO等[4]研究了叶轮切割对离心泵效率的影响,分析得到随
着叶轮直径的减小,离心泵效率显著下降.赵万勇等[2]对一台离心泵依据相似定律推导出了切割后的相似工况点,绘出了相似曲线,并通过切割公式得到了切割量，为其
他原型泵的叶轮外径切割量提供了参考依据.宇晓明等[5]在叶轮切割已取得成果的
基础上,对某一离心泵的叶轮外径采用正切、正向斜切和反向斜切三种方式,通过Fluent软件进行数值模拟,探究了不同切割方式对离心泵性能的影响.
目前,针对叶轮切割技术的研究主要集中在数值模拟和现场试验中,而且迄今的研究
大多针对叶轮的平切.本文从泵的基础理论出发,分析了平切和V切两种切割方式对泵性能的影响,然后通过对叶轮外径分别采用平切和V切的某一双吸离心泵进行数
值模拟,分析对比了泵的性能曲线,以及蜗壳内部的流场,对本文所提叶轮切割理论进行了验证,进而为今后泵的叶轮切割提供了理论指导,同时为工程实践提供了参考.
分析流体在叶轮中的运动时,时常采用把整体化为局部的方法,即把叶轮内的流动分层.假设每层间的流体互不掺杂,当分层数比较多时,便得到了微元流层,显然,叶轮前、后盖板的内旋转面分别是两个边界流面,其间还可以分出任意多个类似流面[6],如图1所示.
在对叶轮进行切割前,叶片进、出口处各点速度的大小和方向相同,根据理论扬程计
算公式：
可知各点的理论扬程相等.式中Ht为泵的理论扬程；u2为叶片出口的牵连速度；vu2为叶片出口处的绝对速度在圆周方向上的分量；u1为叶片进口的牵连速度；vu1为叶片进口处的绝对速度在圆周方向上的分量；g为重力加速度.
当对叶轮进行切割后(见图1),叶轮外径和叶片出口位置发生了变化,切割前后a、c 流线及其出口处的局部放大图如图2所示.
由图2可知，在对叶轮进行切割前a、c流线的出口外径和出口角度是一致的,出口速度的大小和方向也相同,所以流体进入涡室(压水室)后平稳的流动,能量消耗较少,效率较高.
当对叶轮平切后,a、c流线的出口外径发生等量的减小,出口处的牵连速度变小,当a 流线出口角β2a1和c流线出口角β2c1相等时,a、c流线的出口速度的大小和方向仍相同,基本能满足切割要求,但是当β2a1β2c1时,a、c流线的出口速度开始变得不同,其出口处的速度三角形如图3所示.
由图3可知：平切后叶轮外径等量减小,但是叶片出口各处的牵连速度仍然相等,而绝对速度在圆周方向上的分量vu2a1vu2c1,故有u21vu2a1u21vu2c1,a流线处的扬程小于c流线处的扬程.此时,绝对速度的大小也发生了变化,a流线的绝对速度
v2a1小于c流线的绝对速度v2c1,因为出口处扬程和速度的变化,流体会在涡室内形成大量的涡,从而消耗了大量能量,大大降低了泵的效率.此时平切已经不能满足切割需求,针对这种情况将其叶轮外径进行了V切,如图1所示,V切后,叶片出口处各流线出口外径不再相同,出口处的速度三角形如图4所示.
V切后,a流线不受切割影响,出口与原模型泵一致.c流线出口外径减小,牵连速度减小,出口角β2c2变大,出口处的绝对速度在圆周方向上的分量uu2c2变大,所以牵连速度和绝对速度在圆周方向上的分量的乘积的变化可正可负.当
u2avu2a=u2c2vu2c2时,a、c流线的理论扬程相等.c流线的出口处的绝对速度方向变化,但是大小无法判定.当v2a=v2c2时,V切后流体进入涡室的速度仍然相等,相
比平切时,产生的涡量较少,流动消耗的能量较少,功率较高.
一般设计者在进行泵的设计时,叶片出口都设计成圆柱形,当泵的性能达不到要求需要切割时,平切就可以满足要求.但是对于某些中高比转速泵,其叶轮出口叶片有扭曲,此时平切无法满足切割要求,往往将其叶轮进行V切.
以某泵厂生产的1200S56型双吸离心泵为模型,通过数值模拟对理论分析进行验证.泵的基本结构参数为：叶轮叶片数6、出口宽度224 mm,叶轮进口直径730 mm,叶轮出口直径1 150 mm.设计工况下该泵的性能参数为：扬程56 m,流量10 800 m3/h,转速600 r/min,功率2 240 kW,效率88%,比转速131.
为了使所选择的不同切割方式具有可比性,在对所建立模型的叶轮进行不同方式的切割时,需要保证切割后叶轮的平均外径相同.比转速与最大允许切割量[7]的关系见表1,表中切割比为原模型叶轮外径D2与切割模型叶轮外径D2′的差值与原模型外径的比值.
本文所采取的具体方案是：平切时切割比为0.02,V切时切割比为0.04,这样切割后叶轮平均半径基本一致,可比性高.
3.1 建模与网格划分
通过Pro/E软件建立原模型及各种切割方案下的泵模型,将所建模型导入ANSYS ICEM划分网格,本课题选择的是六面体结构化网格[8].在结构较复杂的情况下,采用结构网格技术可以获得更高的网格质量,保证收敛精度、模拟的准确性.其中原模型泵的网格划分结果如图5所示,网格数为3 174 252,节点数为3 166 550.
3.2 边界条件
1) 进口边界：假定进口速度沿垂直于进口面的方向均匀分布,大小由流量和进口面积[9]计算得出;
2) 出口边界：采用自由出流边界条件;
3) 壁面边界：固定采用无滑移边界条件,动静耦合面采用MRF(multiple reference
frame)模型，近壁处采用标准壁面函数法修正湍流模型[10].
3.3 控制方程
在本分析域中,蜗壳和吸水室的设置为静止坐标系.由于叶轮内部流体随叶轮旋转,在静止坐标系中被视为瞬态问题,因此选用运动参考系[11].
在进行数值模拟时,采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,建立如下控制方程[12]：
连续方程：
雷诺时均方程：
湍动能方程：
湍动能耗散率方程：
其中：
式中：ρ为流体密度；μ为动力黏度；k为湍动能；ε为湍动能的耗散率；μt为涡黏系数；Cu、Cε1、Cε2、σk、σε为湍流模型常数,根据Launder等的推荐值以及后来实验的验证,分别取Cu=0.99,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3.
4.1 平切和V切的性能对比
为了对比不同切割方式对所选双吸离心泵性能的影响,根据模拟结果制作叶轮切割前后各模型的性能曲线,如图6所示.
从图6性能曲线可以看出,切割后各模型的变化规律是一致的.切割后泵的扬程、功率和效率都下降(V切时,0.6qV工况下泵的效率上升除外),但是V切时泵的扬程、功率和效率基本大于平切,所以对于该双吸泵,当泵的性能不能满足使用要求,需要进行切割时,V切的效果比平切好.
4.2 蜗壳内部的流场分析
通过平切和V切的性能对比分析可知,对该泵的叶轮进行切割时,V切效果比平切好,为了更深一步探讨这种变化的机理,分别对蜗壳内如图7所示的断面的流动进行监
测分析.
为了观察切割后各模型蜗壳内部流动的变化规律,这里分别选取设计工况下平切和V切模型的第Ⅱ、Ⅷ、Ⅻ断面的速度矢量图来进行分析,如图8所示,左侧为平切后各断面速度矢量图,右侧为V切后各断面速度矢量图.
casing models
由图8可知,第Ⅱ断面中,涡室的断面面积较小,流体的流动分析起来比较困难,但是可以看出平切和V切模型在第Ⅱ断面的流体流动均成对称的旋涡状,且平切时涡量较大,消耗的能量也多.
当流体进入第Ⅷ断面时,涡室的断面面积变大.因为平切后a流线处的扬程小于c流线处的扬程,使得流体在涡室内形成了对称布置的旋涡,涡量较大,且中间流体的速度大,消耗能量较多;而V切后,涡量较少,a流线出口直径大于c流线出口直径.由图8可知,在蜗壳进口处形成了二次回流,这是由于涡室的压力在某一平均流量下是一定值,但是a流线处的扬程大于c流线处的扬程,于是在c流线处出现了负流量.
当流体进入第Ⅻ断面时,各模型的涡基本消散,流体开始平稳的流出.
由以上分析可知：平切时,蜗壳内部流体的流动损耗的能量多,而V切时,损耗能量少,所以该泵更适合V切.但是,无论平切还是V切,当切割量增加时,能量消耗都变大,所以切割量不宜过大.
1) 应用泵的基础理论对双吸泵叶轮切割进行了理论分析,分析结果表明：当对叶轮进行切割后,由于叶轮外径减小,其性能下降,因此,切割量不宜过大.但是,切割方式要根据叶片的形状不同而不同.当叶轮出口处为圆柱形叶片时,平切效果好于V切；当叶轮出口处为扭曲叶片时,V切效果更好.
2) 通过对1200S56型双吸泵的原模型及不同切割方式的模型进行数值模拟可得：当对该泵的叶轮进行切割后,其性能均下降,但是V切后该泵的性能高于平切,并对其蜗壳内部流动进行了分析,探讨了其性能的变化机理.同时对叶轮切割方法的选择理
论进行了验证,为工程实践提供了参考.
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