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大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化设计
发布时间:2018.05.07 辽宁体彩来源:

【摘要】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

       一、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,结合大耐泵业双吸泵设计制造的成熟经验,对某规格的管线增压泵进行水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。

      二、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。
             

      对通过相似换算得出的叶轮进行三维造型,如图1所示。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-ε湍流模型,单独模拟叶轮,计算在100步内收敛。

      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 Pump Performance模块,得到叶轮效率为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。

      三、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×D2=1.1×470=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°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。将已设计的叶轮与泵体部件配合后以*.stp格式输出,导入ICEM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。

      网格导入CFX-pre软件,使用标准k-ε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,frame change model设置为frozen rotor。该模型在0.6Q,0.8Q 0.9Q,1.0Q,1.1Q,1.2Q这6个流量点进行模拟计算。计算2000步,虽然计算不收敛但是进出口压力长时间稳定,计算数据可以使用。
       计算数据导入CFX-post软件中进行分析。使用Liquid pump performance模块得出外特性参数,结果低于设计要求,对涡壳内压力分布和流线进行分析,如图6。

      流体在扩散管处产生了很大的漩涡,从第Ⅵ断面开始,压力分布没有均匀变化。也就是说,涡壳水力设计存在缺陷,造成大量能量损失,这是该水力设计效率偏低的直接原因。
       四、泵体水力优化与预测
       基于对流场的分析,决定改变涡壳第Ⅳ断面以后的断面面积,并且增大隔舌螺旋角,以提高能量回收效率。重新设计涡壳后,用同样的方法对新方案进行模拟分析,优化后的涡壳压力分布和流线情况如图7所示。涡壳的压力分布明显变得均匀,没有出现明显漩涡,可见能量高效的由速度能转化为压能,效率提高。外特性参数与优化前对比,如图8示。优化方案已经达到设计要求。

      五、性能试验及对比分析
       经过全尺寸样机的试制及试验,实测结果与理论计算的对比如下表:

       六、结语
      试验结果表明,本文所述的设计和优化方法,对大流量、高扬程、高转速双吸泵的设计有一定的指导作用,并且得出以下几点结论:
      1. 额定点扬程比设计值高。是因为设计时人为增大相似系数和放大喉部面积导致的;
      2. 以相似换算为基础的设计方法,在一定范围内,可以保证实型泵效率达到或超过模型泵的效率,这需要依据实型泵的流量范围而定。
      3. CFD技术在对泵的水力设计有较大的促进作用,但如何选择合适的湍流模型,尚需要进一步摸索。

 
 
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