大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化设计

大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化

设计

大耐泵业有限公司许金鹏（116620）

沈阳广播电视大学邱海斌（110003）

大耐泵业有限公司曲鹏（116620 ）

江苏大学流体机械工程技术研究中心曹璞钰212013)

烟台阳光泵业有限公司李阳（264100 ）

目前国内设计制造的大流量双吸泵转速普遍较低，

无法满足市场的需求。针对这一现状，大耐泵业有限公司成功研制出高转速、大流量、高扬程的双吸泵。该类型泵设计难度极大，对制造和装配工艺要求较高。本文基于三维设计和CFD技术，详细介绍了设计及优化过程。样机经试验验证，确认效率等关键参数达到国际领先水平。

关键词】大流量高转速高扬程双吸泵数值模拟

效率国际领先

、前言

管线增压泵是一种水平中开、单级双吸、大流量、

高转速的化工泵，API610标准BB1型泵。目前市场上该类型

泵，大部分采用四级或六级转速。低转速泵设计难度低，但

泵头尺寸比较大，制造成本高。大耐泵业有限公司研制的该

类型泵为二级转速，在相同的流量下，具有更高的单级扬程。

由于对泵效率的要求极其严苛，必须达到国标 A 线标准，使 得

该泵的水力设计成为难点中的难点。

如今，CFD 技术已经广泛应用于水泵性能的预测、

水力

部件的设计和优化。本文基于数值模拟技术，结合大耐泵业 力设计并提出优化方案。经试验验证，确认综合性能达到国 际领先水平。

、叶轮设计与性能预测

设计参数如下 流量 Q ：3600 m3/h 扬程 H ：230 m 转速 r ：2990 rpm 必 需汽蚀余量 NPSHr ： 35m

1. 叶轮设计 计算比转速，并且比照已有成熟高效的水力模型，决

定通过相似换算的方法来设计叶轮。

造的成熟经验，对某规格的管线增压泵进行水

流模型，单独模拟叶轮，计算在

100步内收敛。

取相似系数 0 0牡计算叶轮关键尺寸如下i 叶轮外径 JF450X1. 04=46SniD 叶轮岀口宽度 /1F46X1. M 二Q 匚3 mm 叶轮入 口直径

1.04=260 mm

示。之后使用网格生成软件

ICEM 对叶轮三维模型进行网格

划分，如图2所示。叶轮采用非结构四面体网格，对叶片工 作面、背面和叶片入口这样流动参数变化剧烈的位置进行网 格加密。自动生成网格，自动或手动修改网格，使网格整体

质量达到0.4以上，最终网格数量为

602681。将网格导入

CFX-pre 软件，设置叶轮入口面属性为 inlet 流速v=13.7m/s , 叶轮出口面属性为 open ,转速n=2980rpm ,使用标准k- £湍

空_戸U 试1490

=1.02

对通过相似换算得出的叶轮进行三维造型，如图

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图2

叶轮网格

计算数据导入CFX-post软件中进行分析。观察叶片与

前后盖板压力分布情况，叶轮流线，如图3、4。可以确定叶

轮整体性能良好，压力均匀变化，流线稳定无漩涡。利用

CFX-POST软件中自带Liquid PumpPerformance 模块，得至「叶轮效率为96.9%。由于单独对叶轮进行模拟，只观察流场和压力分布情况，得到的扬程外特性并不准确，在此忽略。

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、泵体水力设计与性能预测

1. 压出室设计

基圆直径D3 参考模型泵体水力模型相似换算，并由结构参数选取 基圆

D3=1.1 X D2=1.1 X 470=517 mm ,圆整后取 520mm

压水室进口宽度

经相似换算后，取涡室截面宽度 b3=146mm

涡室各断面面积的计算 因该规格泵体需要配

0.5 Q 、0.7 Q 、Q 1.25 Q 四种规

格转子，故在相似换算的基础上，适当放大了喉部截面的面

取一个截面，保证涡壳断面面积均匀变化。泵体初步水力设 计结束。

2.泵体水力性能预测

为了验证泵体水力性能，对泵体部件进行三维造型。将

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积，以适应大流量转子的性能要求。根据

D3 b3及各断面

面积就可以算得各断面径向尺寸。 由起始截面开始，每45 ° J ■■壬"

4叶轮内流线

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已设计的叶轮与泵体部件配合后以*.st P 格式输出，导入ICE M软件中进行网格划分，如图5。进出口管道流体区域采

用结构化网格，叶轮、涡壳、半螺旋型吸入室采用非结构四面体网格，并对涡壳隔舌处进行加密处理，手动修改网格使

网格整体质量达到0.4以上。整体网格数量为2486227，其中出水段为98400，叶轮563092,进口段141825，涡壳917451 ,

吸入室417790。

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网格导入CFX-pre软件，使用标准k- ^湍流模型，进

口边界按流量设置进口速度，出口边界设置为open,目标压

力设23atm。每两个相邻模型体间设置交接面(interface ),

非旋转体与非旋转体间interface models 设置为general connection , frame change model 设置为none，非旋转体

与旋转体间interface models 设置为general connection ,