氟塑料离心泵蜗壳内壁不平整度对泵性能的影响

齐凤莲，赵 维，于雯秋

（沈阳建筑大学 机械工程学院，沈阳 110168）

0 引言

目前国内外绝大数关于离心泵内流场数值模拟的研究均没有考虑叶轮和蜗壳等过流部件的表面粗糙度值。实际上，过流部件在加工制造过程及使用中不可避免的存在一定的粗糙度，通过查阅文献可知，过流件的表面粗糙度对泵的性能有一定的影响。如A.J.斯捷潘诺夫在离心泵和轴流泵—理论、设计和应用[1]书中写到在对某小流量泵的泵壳内壁进行光洁处理后，泵的效率提高4%左右；A.A.洛马金在离心泵和轴流泵[2]书中记载某铸造大流量泵的蜗壳和叶轮壁面在经过一定的机加工处理后，泵的设计效率点提高了约10%。目前已有少数关于粗糙度对泵性能影响的研究。郑魁卿[3]通过实验的方法研究了叶轮壁面的粗糙度对泵性能的影响；李龙[4]等人取0～0.7mm内九个表面粗糙度轴流泵在额定工况下进行了数值模拟，得到了不同粗糙度下泵的扬程、转矩、轴功率及效率并分析了泵性能的变化。与以上直接选择表面粗糙度值不同的是，张兰金[5]等人使用连续17个三角形锯齿作为叶片微观粗糙表面的物理模型，研究了水轮机转轮表面粗糙度对泵空化性能的影响。以上研究均是在微观尺度上面对泵的性能进行研究，实际上由于泵在使用过程中会不断发生磨损，经过一定程度的累积，泵过流部件壁面将不可避免的存在宏观上的凹坑，因此有必要研究宏观上可见的冲蚀凹坑对泵内流场及外部性能的研究。

实际上，上面的模拟研究都做了一个基本假设，即假设蜗壳内壁光滑，但是蜗壳、叶轮内壁除了在制造过程中不可避免地存在宏观上的不平整性之外，且在使用过程中，磨损更加剧了壁面的不平整。为使性能预测更接近实际情况，在对氟塑料离心泵性能预测及实验对比分析的基础上，根据流体力学的基本原理，对改进后的扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵蜗壳内壁不平整度（粗糙度）对泵性能的影响进行一定的尝试性研究。

1 氟塑料离心泵磨损凹坑物理模型的建立

考虑到能如实地描述蜗壳内壁磨损形态及建模的可行性，采用一定大小的球冠体来表征蜗壳内壁由磨损造成的不平整度，即用球冠体作为磨损凹坑的物理模型，用R表征凹坑的半径，H表征凹坑的深度。球冠体的尺寸如表1所示。

表1 球冠体的尺寸

由于蜗壳表面是曲面，因此在其表面的各个位置上增加球冠体难度较大，最容易的地方就是在蜗壳中心截面上。因此本文假设凹坑在蜗壳中心截面沿圆周方向依次分布，即凹坑的中心轴位于蜗壳中心截面内，且与蜗壳表面垂直。对于球冠体个数的选择，由于不同的个数会导致在GAMBIT中划分网格时产生不同数目的面，每次都需要重新设置边界条件，因此工作量十分大，综合考虑，本文指定如图1所示8个球冠体，其中心轴与X轴的夹角依次为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。

图1 蜗壳内壁磨损的氟塑料离心泵三维模型

2 研究方案

根据文献[3-5]中粗糙度对泵性能影响的研究，粗糙度值在达到一定数值时才会对泵的性能产生显著影响。对于宏观上的不平整度对泵性能的影响，应该与上述情形类似。因此，在做详细的模拟研究之前，首先需要确定能对泵性能产生明显影响的球冠体的R、H值。本文通过计算不同R、H的扭曲叶轮的氟塑料离心泵在额定工况下的扬程，并与没磨损前的扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵扬程进行对比和确定。图2为不同R、H下磨损后的扭曲叶轮氟塑料离心泵的的扬程。从图中可以看出，随着R值的增大，扬程有不断下降的趋势。在R≤4mm时，H值基本上没有变化。当R>4mm时，扬程逐渐下降，但幅度较平缓，在R=6mm时的扬程相比初始值下降了约4.61%。在R=8mm时，扬程为16.07m，相比初始值下降了10.07%。此后，扬程迅速下降，在R=9mm时，扬程已降为15.29m，相比初始值下降了15.05%，因此在蜗壳内壁形成类似R=9mm、H=4.5mm的凹坑时，泵的扬程已经显著下降，此时应该通过热熔或者其他的方法对蜗壳内壁进行修复。

在确定了R值之后，针对氟塑料离心泵的工作特点，以清水为介质，在40m3/h、80m3/h、120m3/h、160m3/h、200m3/h、210m3/h、220m3/h、230m3/h、240m3/h九个工况下，对磨损后的扭曲叶轮氟塑料离心泵进行内部流场数值模拟。

图2 不同R值下扭曲叶片氟塑料离心泵的预测扬程

3 计算结果分析

3.1 外特性对比分析

为与没有磨损前扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵的流场及外特性进行对比分析，在获取磨损后扭曲叶轮氟塑料离心泵内部流场时采用相同的截面。由于泵的外特性是其内部流场外部反应，因此对扬程、功率、效率外特性进行综合对比分析。图3、图4、图5分别为扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵在磨损前和磨损后的外特性曲线对比。

图3 扭曲叶片叶轮叶轮氟塑料离心泵在磨损前和磨损后扬程-流量特性曲线对比

图4 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵在磨损前和磨损后功率-流量特性曲线对比

图5 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵在磨损前和磨损后效率-流量特性曲线对比

从图3～图5可以看出，氟塑料离心泵在磨损前和磨损后外部性能曲线基本相似，只是各参数值之间有所差别。在以上各工况下，磨损后的扭曲叶轮氟塑料离心泵的扬程和效率均比磨损前有所下降。在小于额定流量工况时扬程下降较快，基本在2m以上，在额定流量工况时扬程下降了约2.3m。在大于额定流量工况时，扬程下降的幅度变缓，在240m3/h工况时，扬程下降了约1.1m。磨损前和磨损后的轴功率只在120m3/h～220m3/h这段工况内有所降低，较小和较大流量工况时基本变化不大，轴功率变化不大的原因可能在于压力矩和粘性力矩的反向变化。在各工况下，磨损后的效率下降值变化不大，基本都在5%左右，氟塑料离心泵的最高效率工况点并没有发生改变。

3.2 内部流场分析

从前面的分析得知，不同工况氟塑料离心泵的内部流动特征是相似的，因此这里针对外特性变化较大的额定工况200m3/h，在Z=0的中心截面，对扭曲叶轮氟塑料离心泵磨损前后的蜗壳与叶轮内部流场进行对比分析。图6为扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后中心截面蜗壳内速度矢量图。图7为扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后中心截面叶轮内速度矢量图。图8为扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后中心截面叶轮内总压云图。

图6 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后蜗壳中心截面速度矢量图

图7 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后叶轮中心截面速度矢量图

图8 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵磨损前后叶轮中心截面总压云图

从图中可以看出，扭曲叶轮氟塑料离心泵磨损后的叶轮出口边缘平均总压比磨损前小，或者说蜗壳内壁凹坑的存在使得扭曲叶轮氟塑料离心泵磨损后的水力损失相比磨损前更多，另外叶轮进口的负压区域及位置均有所改变，这说明蜗壳内壁的改变对叶轮内部流场有一定影响。这种影响也可以从叶轮内绝对速度矢量图中看出，磨损后氟塑料离心泵的叶轮出口处速度冲击较大。从蜗壳内速度矢量图可以看出，磨损前内部流体从叶轮出口进入蜗壳以及在蜗壳内部周向流动时较为流畅，而磨损后内流体流动则较困难，这说明凹坑的存在使得蜗壳内流体流动明显受阻，这将进一步增加氟塑料离心泵的水力损失。

4 结束语

本文研究了由于蜗壳内壁磨损造成的不平整（粗糙度）对扭曲叶轮氟塑料离心泵外特性的影响。总结如下：

1）通过三维建模软件Proe/E构造类似于凹坑的球冠体来代替氟塑料离心泵磨损的物理模型。

2）计算了在额定工况下，以清水为介质，对扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵在不同球冠体尺寸下进行内流场数值模拟，确定对离心泵性能影响最佳的球冠体尺寸。

3）在特定尺寸球冠体下进行了9种工况下的内流场数值模拟，绘制了磨损后氟塑料离心泵的的外特性曲线，并与磨损前进行了对比分析，分析了蜗壳内壁不平整度对氟塑料离心泵性能产生的影响。

[1] A.J.斯捷潘诺夫.离心泵和轴流泵-理论、设计和应用[M].北京:机械工业出版社,1980.80-82.

[2] A.A.洛马金.离心泵和轴流泵[M].北京:机械工业出版社,1978:105-107.

[3] 郑魁卿.离心泵叶轮流道表面粗糙度对效率的影响[J].水泵技术,1989,(1):9-13.

[4] 李龙,王泽.粗糙度对轴流泵性能影响的数值模拟研究[J].农业工程学报,2004,20(1):132-135.

[5] 张兰金,常近时.转轮表面糙度对水泵水轮机泵工况水力性能的影响[J].水力发电学报,2008,27(2):125-129.

[6] 谈明高,刘厚林,吴贤芳,王勇,王凯,付猛.粗糙度对离心泵性能数值预测的影响[J].中国农村水利水电, 2011,(2):131-134.

[7] Mona Golbabaei.Experimental and FEM failure analysis and optimization of a centrifugal-pump volute casing[J].Engineering Failure Analysis,2009,(16):1996-2003.