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首级叶轮结构对多级泵效率影响分析

文章出处:三昌泵业 人气:0发表时间:2020-04-17 11:02:28
       多级泵作为一种高扬程离心泵由于结构先进合理、使用寿命长和可靠性好等优点主要应用于火电厂锅炉给水[1-21]、石油化工、矿井排水等给排水工程。多级泵的效率提升困难一直是制约水泵行业发展的难题,国内多级泵性能指标的行业调查结果表明卧式多级泵的效率指标总体水平都达不到国家标准的规定要求。研究表明,泵的能量损失导致运行不稳定的现象主要由过流部件内部流动决定。随着计算机技术的发展,对水泵内部流动的数值模拟与实验研究相结合成为了揭示叶轮机械内部流动规律的重要方法,相对较少的多级泵的内部流动成为近年来研究的热点。
卧式多级泵
       D200-50(P)-0105a型多级泵在运行的过程多级泵的运行效率不高,无法达到设计扬程的需求。由于首级叶轮内流动状况对泵的性能起到决定性作用,为提高水泵的效率,本文主要针对首级叶轮结构进行数值模拟和改进。

       1、多级泵首级叶轮水力模型

       D200-50(P)-0105a型多级泵设计性能参数为:流量Q 200 m/h,级数= 10级,总扬程H=500m,转速n=2950r/min。首级叶轮几何参数为:叶轮进口直径D;=150mm,轮毂直径d=85mm,叶轮出口直径D-225mm,叶轮出口宽度b2=24mm,叶片数Z=5。

       2、原多级泵首级叶轮流场分析

       图2为原多级泵首级叶轮叶片压力分布图。静压分布(图2a)没有明显的对称性,流体进入叶轮时压力比较低,受叶片绕流和进口压力损失的影响压降增大,使进口部分出现大面积的低压区,较低压力点为叶片进口背面靠近轮缘处为-1.58X105Pa,当压力低到一定程度时此处将发生汽蚀,破坏叶轮结构,影响泵的性能和运行的安全性。总压图上随着叶轮旋转,流体不断获得能量,压力变化进口到出口出现较大波动,流体在叶轮流道内流态不均匀导致能量分布不均匀,在叶片的工作面中间部分出现压力突然增大的现象,说明此处存在很高的满流动能。图3为速度分布图。原多级泵首级叶轮速度分布不均匀,速度迹线及云图上叶片进口附近流体的流动存在明显的水流冲击,叶片中部速度突然增大,流体在此处叶轮流道内出现很强的素流,造成较大的水力损失,导致整个泵运行不稳定,使效率急剧下降。
原多级泵首级叶轮流场分析

       3、多级泵首级叶轮水力模型的改进

       原多级泵首级叶轮内部流场的压力和速度分布反映出由于叶轮结构不合理,使泵进口处压力偏低,流体进入叶轮后大量汽化,进入叶轮高压区后产生局部水锤现象,使压力突增且改变了流道内的速度分布,扬程和效率不断下降,能量损失增加。对首级叶轮进行改进设计改变叶片的形状并选取合适的叶轮进出口直径,适当增加叶轮的出口宽度减少泵流道的摩擦损失、扩散损失、撞击损失和其它局部损失,使叶轮具有合理的结构和形状以提高泵的效率。改进后泵首级叶轮的几何参数为:叶轮进口直径D')=158 mm,轮毂直径d1;-85 mm,叶轮出口直径D/2-225mm,叶轮出口宽度b'z -25。2 mm,叶片数Z=5。
       改进后的吸水室部分随着叶轮进口部分尺寸的变化有了相应的改进,增大了吸水室的进口直径,使流速减小到泵叶轮进口所需流速,并与进口对应的扩大了吸水室的环形空间。

       4、改进后多级泵的流场分析

       对改进后的多级泵首级流道网格划分,体网格数为598382个,对其进行数值计算,内部流场压力和速度分布如图4和图5所示。

   4.1、压力分布

       改进后多级泵的首级叶轮的压力分布图(图4)从进口到出口不断增加,且未出现改进前压力突增现象,五枚叶片压力对称分布,且各流道分布均匀,改进后压力比原多级泵有明显提高,压力达到了8.72x10' Pa,高于原多级泵的4.20X 105 Pa。单个叶片工作面和背面静压分布(图4c)整体上增长趋势相同,但在叶轮同一半径处,叶片工作面压力高于背面,压力梯度变化工作面比背面大。
改进后多级泵首级叶轮片压力分布图

   4.2、速度分布

       改进设计后速度分布(图5)上,流体在整级流道内流动平稳,改进设计后随着叶片的安放角的增加,流道内的漩涡区减小,过流断面面积增大,流体在叶片旋转力矩作用下速度沿叶轮径向逐渐增加,单个叶片上流体速度(图5c)
       沿叶轮径向方向上呈均匀增大的趋势,在叶轮相同半径处,叶片背面流体速度大于工作面流体速度,这与叶片工作面和背面流体压力分布趋势相反,在出口处流体速度达到34.7m/s,进入导叶后动能转化为压能流速逐渐降低,在叶轮进口处仍存在局部速度冲击现象,但冲击范围减小,叶片中部没有出现速度突然激增现象,速度沿叶片方向分布均匀,过渡平稳,使泵的水力损失减少。
多级泵改进后的速度分布

       5、外特性研究

       对改进前后多级泵整机进行性能测试,图6和图7为所得性能曲线。泵的扬程、功率和效率变化随着流量变化而有不同的变化。对比改进前后功率流量(P-Q)曲线,流量为零时功率主要消耗在泵的机械损失上,随着流量的增加,轴功率不断增大,但是改进后功率比原多级泵有所降低。泵的扬程随着流量的增加不断减小,图6中原多级泵实验过程中存在很大的水力损失,扬程下降非常迅速,未达到额定流量时扬程己降至设计扬程,随着流量的增加,泵内过流减小水流遭到破坏,能量损失增大,流量为178.3 m/h时效率达到较高为63.5%。改进后多级泵整体进行性能测试结果(图7)变化趋势稳定,随着流量的增加泵的扬程逐渐降低但趋势较改进前平缓,在工况点流量为200m/h时泵的扬程为526.8m,满足设计扬程要求,改进设计后泵的效率也有了相对较大的提高,且在设计工况附近具有较宽的高效区,效率点流量为225.4m/h,效率为78.6%,比较原多级泵提高了15.1%。

       6、结论

       数值模拟技术在泵的优化设计和内部流动研究方面已成为一个强有力的工具。根据计算结果分析叶轮内部流场分布规律,利用传统的试验方法进行验证,为泵的开发设计和改进优化提供了可靠的依据,缩短了泵的设计和研发周期。
多级泵首级叶轮改进后的性能曲线图
       原多级泵和改进后多级泵的性能实验的对比结果说明泵的首级叶轮的内部流动对多级泵整体流道内部流动具有决定作用,首级叶轮结构的合理性影响泵的效率的提高,为更好的提高泵的效率还需对多级泵整体进行分析研究。

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