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平衡孔数量对离心泵性能影响的数值模拟

2023/12/31    来源:e-works    作者:钟华舟  郭义航  王聪      
关键字:TurboTides  离心泵  数值模拟  太泽科技  
本文采用CFD数值模拟的方式,针对某一离心泵,深入研究了不同平衡孔数目对其性能,轴向力等方面的影响。结果表明:平衡孔能够大大降低轴向力,同时也会降低泵的效率;平衡孔数目越多,轴向力降低越多,效率降低越多;在实际应用中,可以通过CFD模拟的方式,对平衡孔数目进行调节,以兼顾轴向力和效率的需求。
前言

       离心泵作为一种应用十分广泛的通用机械,广泛用于楼宇供水,石油化工等领域,在国民生活中具有举足轻重的地位。由于离心泵本身的特性,在运行过程中会对转子部件产生轴向力拉力,当轴向拉力过大时,会极大的影响轴承寿命,造成机封等转子部件损坏。通过在叶轮上打平衡孔的方式来降低轴向力,是一种十分简单有效的方式。然而,平衡孔的增加,加大了叶轮的泄漏,对泵的效率产生极大的不利影响。同时,在某些情况下,会导致在泵运行过程中,轴向力方向的反复变化,方向反复变化的力,对轴承等的损害会更大。

       随着计算流体动力学和计算机技术的发展,通过计算机数值模拟的方式对离心泵进行研究,已经成为普遍而广泛的一种趋势。本文利用CFD技术对某一单级离心泵进行全流场模拟,对比了平衡孔数目对离心泵性能、轴向力等的影响,为离心泵的结构设计提供了重要的参考。

1 计算模型

       1.1 泵的主要参数

       研究对象为6叶片直连式单级单吸蜗壳式离心泵。该泵的主要性能参数分别为:设计流量Qd=216m3/h,设计扬程Hd=32.5m,额定转速n=2900r/min,效率eff=73.5%,比转速ns=190。主要几何参数,叶片出口直径:200mm,叶片出口宽度b2=22mm,叶片数Z=6,前后密封环单边间隙Rseal=0.3mm。采用TurboTides软件进行离心泵叶轮和蜗壳的建模,计算区域包括进口段,叶轮,前泵腔,后泵腔,蜗壳等6部分水体。叶轮如图1所示:

叶轮模型

图1 叶轮模型

       1.2 网格划分及前处理设置

       前后泵腔由于口环间隙仅为0.3mm,该处间隙与整体尺寸相比,十分微小,需要对该处进行细致的网格划分,保证间隙里有足够数目的网格,以满足计算精度的需要,使其能够充分捕捉该处的泄漏流动。对前后泵腔提前切割好块,在Mesh中进行自动全六面体网格生成,如下图:

前腔网格

图2 前腔网格

前腔间隙网格

图3 前腔间隙网格

后腔间隙网格

图4 后腔间隙网格

       由于四面体网格对复杂几何的适应性更强,划分方便,同时也满足精度的需求,因此本论文的蜗壳和叶轮部分采用四面体网格,叶轮部分网格如下图:

叶轮网格

图5 叶轮网格

       全平衡孔计算模型的网格具体数目如下:
表1 网格数目

网格数目


       在进行CFX设置时,叶片与进口段,前腔,后腔,蜗壳有交界面,交界面类型设置为Frozen-rotor,其他交界面类型设置为None。

       在实际应用以及CFD计算中,避免粗糙度也是一个十分关键的因素,对效率等有十分显著的影响。在CFD计算中,需要参考实际产品的工艺进行设置,在本研究中,壁面粗糙度统一设置为40micro。

       为了准确的计算轴向力,采用总压进口和流量出口的边界条件;叶轮和泵腔上与叶轮相连的壁面定义为旋转壁面辩解条件,其转速为叶轮转速,其他壁面定义为无滑移避免,并设置相应的粗糙度。

2 计算结果分析

       如图6中的QH曲线所示,没有平衡孔时扬程最高,6个平衡孔的扬程最低,3个平衡孔的QH曲线居中。整体上,曲线接近平移趋势。这是因为当增加平衡孔时,叶轮出口的部分流体经过平衡孔又回流到了叶轮内部,没有沿着蜗壳流出,使得在同样条件下流出叶轮的流体减少,反映在下图的曲线上,将没有平衡孔的曲线向左平移即可以近似得到3个平衡孔的QH曲线和6个平衡孔的QH曲线。由于平衡孔导致的泄漏的存在,在设计点,扬程降低约0.8%;6个平衡孔时,设计点的扬程降低约1.7%。

QH曲线

图6 QH曲线

       如图7所示,平衡孔对功率的影响并不明显。功率曲线几乎没有明显的波动,下图中的曲线没有完全重合,可能是因为计算误差所致。经过平衡孔泄漏的流量由叶轮出口经后口环平衡孔流至叶轮内部,这一部分能量在该路径下不断循环,对叶轮的功影响较小,因此在曲线上上并不十分明显。

QP2曲线

图7 QP2曲线

       图8为流量效率曲线。如图8所示,随着平衡孔数目的增加,效率呈现下降趋势,并且高效点有向小流量偏移的趋势。由于泄漏的存在,虽然叶轮做功没有明显变化,但是泄漏的部分流体在泵的内部进行循环流动,没有流出泵,也即并没有对外做有用功,进而使得泵整体的效率降低。泄漏量越大,效率越低。当没有平衡孔时,高效点的效率约为74.7%;当有3个平衡孔时,高效点的效率约为74.0%;当有6个平衡孔时,效率约为73.6%。当平衡孔全开时,效率降低约1%。

QP2曲线

图8 QP2曲线

       如下图9为轴向力曲线,从图上可以看出,在设计点附近,全开平衡孔时,轴向力约为不开平衡孔时的50%,在仿真的最大流量处,全开平衡孔时轴向力约不开平衡孔的33%,在仿真的最小流量处,全开平衡孔时轴向力约为不开平衡孔的50%。由此可见,平衡孔可以极大的降低离心泵的轴向力。随着平衡孔数目的减小,直至为0(即不开平衡孔),轴向力依次增大。结合图8,效率则依次降低。由此可见,可以结合机械结构所允许的轴向力,通过调整平衡孔的数目,来保证满足机械结构的同时,最大程度的提高泵的效率。

Q-Axial force

图9 Q-Axial force

       如图10所示,高压流体经后口环由平衡孔进入叶轮,降低了叶轮后腔的压力,进而降低了轴向推力。由图中流线可以看出,在流体进入平衡孔时,压力较高,进入叶轮后与叶轮的低压区进行混合,压力降低,然后流体随着叶轮是做功,压力逐渐升高。平衡孔的存在,一方面降低了后腔的压力,使得轴向力有显著的降低,另一方面也对叶轮内部的流场造成了破坏,增大了叶轮内部的流动损失,进而使得效率变低。当平衡孔数目减少时,后腔压力降低较少,经平衡孔的泄漏变少,同时对叶轮内部流场的破坏程度也减小,使得效率变化较小。

平衡孔处流线图

图10 平衡孔处流线图

平衡孔处截面流线图

图11 平衡孔处截面流线图

3 结论

       1.在叶轮上加平衡孔能够显著降低轴向力,但是也会对泵的效率产生不力的影响。

       2.平衡孔增加了叶轮的泄漏,与没有平衡孔相比,整体的QH曲线向小流量进行了偏移。高效点也有向小流量偏移的趋势。

       3.平衡孔的数目对轴向力和效率均有影响,随着平衡孔数目的增加,轴向力和效率均逐渐减小。CFD可以很好的捕捉这种趋势,在实际应用中,需要根据结构的需求来确定平衡孔的数目,以兼顾轴向力和效率。
责任编辑:程玥
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