两级离心泵中径向导叶的水力性能范文

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《排灌机械工程学报》2014年第五期

1正交试验设计

BQS35－200／2－55／N型矿用潜水泵设计流量Q＝35m3／h，设计扬程H＝200m，转速n＝2980r／min，采用两级叶轮，配套功率55kW．叶轮主要水力尺寸：外径D2＝280mm，出口宽度b2＝10mm，叶片出口安放角β2＝27°，叶片数Z＝4．导叶主要水力尺寸：基圆D3＝290mm，外径D4＝370mm，正导叶叶片数为5．泵的具体结构如图1所示．径向导叶中关键的几何参数主要有正导叶进口安放角α3、喉部面积F3、扩散角、反导叶进口安放角α5、反导叶高度b5、反导叶叶片数Z2、反导叶出口安放角α6等。由于该泵运行流量较小，因而出口绝对液流角较小，应当设计较小的正导叶进口安放角，而对于喉部面积的设计，通常根据面积比原理来确定，Anderson针对普通离心泵定义面积比系数Y：但根据文献［17］中所统计得到的面积比系数与比转数之间的关系来确定导叶喉部面积仍有一定的不确定性，故文中首先将喉部面积F3（径向高度×宽度）作为试验研究因素之一；流体流经扩散段时，过流断面面积增大，因而流速相应地逐渐降低，增加压能，扩散角的大小则可能对于流动水力损失有较大影响，故将扩散角作为试验研究因素之二；反导叶进口安放角通常可由进口液流角求得，出于对矿用潜水泵的轴向尺寸特别是正反导叶过渡面积比值的考虑，故将反导叶高度b5作为试验因素之三；反导叶叶片数对于消除流场内旋涡、降低流动损失同样起到重要作用，但其具体数量的优劣尚未有依据可循，故将反导叶叶片数Z2作为试验因素之四．考虑到反导叶出口安放角α6对次级叶轮的进口流场产生的影响，为了降低次级叶轮进口预旋，按照常规选取为90°．现选取F3，，b5，Z2作为试验因素，且分别用代号A，B，C，D表示，选择因素水平如表1所示．根据L9（34）正交表，确定试验方案如表2所示．

2水力模型与数值计算

2.1导叶结构图2为径向导叶结构图．依据设计参数对径向导叶分别进行水力设计，在UG中进行三维造型，其水力模型与实体造型如图2所示．其中，b3为导叶进口轴面宽度；b4为正导叶叶片出口宽度；b5为反导叶叶片宽度；a3为导叶喉部平面宽度；a4为导叶出口平面宽度；L为扩散长度．扩散段进口喉部面积F3＝a3b3，扩散段出口面积F4＝a4b4，扩散角按式（2）［6］确定。

2.2CFD分析方法根据两级泵具体的结构尺寸与形式完成整泵水体的造型．由于该泵为内装式隔爆式潜水泵，流体经蜗室流出后充满隔爆外壳与电动机的间隙，最终流出出水法兰，该部分水体较多，但其流速较小，因而水力损失较小，且其对计算结果的影响较小，故将该部分水体省略．最终全流场包括进口段水体、首级和末级的叶轮水体、泵腔水体、口环间隙水体、双蜗壳水体以及末端泄压水体．图3为模拟该泵的计算区域，为了得到稳定的进口和出口流动状态，对进口部分和出口部分水体进行了适当延伸．网格的数量与质量对于计算结果的准确性有着重要的影响，利用ICEMCFD软件对全流场进行结构网格划分，并对固体壁面处网格进行适当加密，总体网格质量在03以上；通过增加网格数量的方法降低网格数对计算结果准确性的影响，但过多的网格数会相应地增加计算机的计算时间，因此也不宜选用过多的网格数．文中以额定工况点的外特性作为指标，对比不同网格数下的计算结果，作为对计算准确性的判断．图4为网格节点数对外特性的影响，从图中可看出，当网格节点数N在400万以上时，泵的扬程和模拟效率（未考虑机械效率）的变化较小，文中选取总网格节点数为420万，图5为结构网格划分结果．将网格导入CFX软件中进行数值计算，设定整个流道内部的流场为三维不可压稳态黏性湍流流场，建立相对坐标系下时均连续方程和动量方程．采用标准k－ε湍流模型，全隐式耦合算法，设定叶轮旋转速度为2980r／min，叶轮水体处于运动坐标系，其余水体均处于固定坐标系，两者在交界面耦合，其中泵腔水体中与叶轮前后盖板接触面设置为旋转面，转速同叶轮转速．边界条件设为速度进口，压力出口，并假设出口流动为充分发展．固体壁面为无滑移边界条件，近壁区采用标准壁面函数，设定收敛精度为10－5．

3结果与分析

经CFD数值计算，得到表2设定的9个试验方案的模拟结果，将扬程和效率作为试验指标，在额定工况Q＝35m3／h时，9个导叶方案的扬程、效率的数值模拟结果如表3所示．为了确定所选因素对泵性能的影响，找到主要因素及优化方案，对正交试验结果进行极差分析，结果如表4所示，其中H为扬程；η为模拟效率（未考虑机械效率）；K1，K2，K3分别为相应水平下的试验指标之和；珔K1，珔K2，珔K3分别为相应水平下试验指标的平均值。从表4极差分析中可看出，各列的极差R是不相等的，这说明所选试验因素的水平改变对试验结果的影响是不相同的．极差越大，表示该列因素的数值在试验范围内的变化会导致试验指标在数值上有更大的变化，因此极差最大的一列，即因素的水平对试验结果影响最大的因素，就是最主要的因素．经极差分析，对比得到了所选水力几何参数对多级泵的扬程和效率影响的主次顺序，分别为F3，b5，，Z2和F3，b5，Z2，．各因素下的水平对于多级泵的性能的影响按主次顺序自上而下列出，如表5所示．从表5中可看出，因素A对于多级泵的扬程和效率的影响主次顺序一致，同为A1，A2，A3，故可选择水平A1作为优化结果，而因素B对多级泵的扬程和效率的影响规律却不一致，因素C对于多级泵的扬程和效率的影响主次顺序一致，同为C2，C3，C1，故可选择水平C1作为优化结果，而因素D对多级泵的扬程和效率的影响规律却不一致．为了分析某一因素对于多级泵扬程和效率的相对影响程度，现定义相对影响指数。

4试验验证

为进一步验证优化方案的效果，根据正交试验所得到的优化方案制作新的径向导叶，进行外特性试验．由于矿山中装置扬程较高，故将流量为21～49m3／h的5个相对较小流量运行工况下的数值计算结果与试验结果作对比．对比结果如图6所示．优化后多级泵额定工况下试验的扬程为20545m，机组效率为3403％；数值计算所得额定工况的扬程为21170m，泵效率为4763％，数值计算与试验的扬程相对误差为304％．对于效率而言，由于试验所得的为机组效率，若按照标准MT671—2006规定配套潜水电动机效率约为85．00％，机组效率模拟值为4048％，但此时依然未考虑内装式的电泵结构导致的水力损失以及模拟误差等，数值模拟结果略高于试验值，但性能曲线趋势基本一致．优化之前的原始方案为第5组方案，数值计算额定工况的扬程为21046m，泵效率为4363％，文中的优化使得多级泵扬程提高了124m，泵效率提高了4．00％．5结论以两级叶轮的潜水泵为研究对象，经数值模拟和试验验证，综合得到径向导叶中所选各参数对于多级泵能量特性的影响．1）所选参数对多级泵扬程影响的主次顺序依次为：喉部面积、反导叶高度、扩散角、反导叶数；所选参数对于多级泵效率影响的主次顺序依次为：喉部面积、反导叶高度、反导叶数、扩散角。2）喉部面积对于径向导叶的水力性能有重要的影响，在径向导叶的设计中需尤为重视．正交数值计算试验对于径向导叶的优化设计具有一定参考价值．

作者：曹卫东刘光辉刘冰单位：江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心