对水泵流道入口流场分析以及过流部优化

2017-05-17王靖

中国高新技术企业 2017年6期

摘要：文章采用UG软件对给水泵的流道入口流场部分进行了三维建模，应用ANSYS12.0平台中的AM模块将流道入口生成网格，然后利用CFX模块数值来计算三维流体，发现不均匀的出口速度，而流道入口的部分压力出現了较大损失，由此对流道过流部分布进行了改变，并调整了过流部角度，以此将流道入口水力性能进行提升。

关键词：给水泵；流道入口；水力性能；闭式叶轮；UG软件文献标识码：A

中图分类号：TH311 文章编号：1009-2374（2017）06-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.016

通常在工程工业领域，会用到离心泵进行各类酸、碱、盐、石油及水等液态介质的输送。在核电厂对给水泵的要求较高，一般要求给水泵要具备较好的流场特性和较好的整体水力性能。而卧式高速离心式给水泵采用的是闭式叶轮，其作功效率高、性能佳，能满足核电厂的需求。液体从静止流道冲入旋转流道的过渡区是从背导叶出口至叶轮入口区段，在该区段的拐弯陡急，撞击、涡流极易产生，其液体的流畅性是保障水泵叶轮给水效率的非常重要的因素。叶轮入口水流流动性极大地影响了其水力性能，首级叶轮入口流动较为复杂，需要分析其入口流动特性，以此设计出更为合适、效率更高的首级叶轮，从而使得首级叶轮设计满足汽蚀性能要求。在有限的条件下要进行核电站常规岛给水泵的流道入口的部分优化设计，从而改善首级叶轮进水的流场特性。某个340MW核电常规岛给水泵FK2E39M流道入口存在流程性问题，进而影响到叶轮的作功效率。本文采用UG软件对给水泵的流道入口流场部分进行了三维建模，计算三维流体，发现不均匀的出口速度，而流道入口的部分压力出现了较大损失。然后重新设计了流道过流部分布，也对过流部角度进行调整，在设计变动中，发现改变过流部分布方式会加重出口速度分布的恶化，从而检验了当前的流道入口过流部分布方面的技术是科学的；进而对过流部角度进行调整，发现此方式在较大程度上将出口处速度的均匀性提高了，使得泵体的整体水力性能也得到了改善。

1 离心式水泵工作原理

离心式水泵的组成部分主要有叶轮、叶片、外壳、泵轴以及轴承五个部分。启动水泵前，必须要向泵腔和吸水管注满水，将里面的空气排净。打开启动开关后，通过泵轴来带动叶轮旋转，此时水在受到叶轮旋转带来的离心力的作用，被甩向叶轮四周至泵壳，水经过排水管流到地面。此时在叶轮中心的进水口位置成为了真空状态，这是因为水已经被抛到轮缘造成的，在大气压的作用下，吸水井中的水被迫进入滤水器、底阀、吸水管，最终到达水泵的叶轮中心，这样，叶轮中心在往复地吸水、甩出的过程中就形成了连续不断的排水。

由此，离心泵的叶轮是最主要也是唯一的作功部件，对叶轮进行分类，有闭式、开式、半开式三种型式。其中开式叶轮的组成部件为轮毂和径向叶片，叶轮的叶片槽道均为敞开的侧面，而叶片槽道和机壳内壁形成了气体通道，此种叶轮布局不利于通道气体的流动，并且会损失较大的叶轮和机壳之间引起的磨擦鼓风，由此为低效率的叶轮。对于半开式叶轮，其轮盘将叶片槽道的一侧封闭，只敞开了另一侧，这就比开式叶轮减少了流动损失，其缺点是较大的叶轮侧面间隙导致部分气体从出口倒流至入口，产生较大的内漏和不佳的效率。只有闭式叶轮的做功效率最高，主要分为轮盘、叶片和轮盖三部分，将气体密封装在轮盖上避免了内漏损失，气体流动性也非常好，由此其效率为三种叶轮中最高的，此外，闭式叶轮还有拆装方便、检修容易的优点。本文研究的是闭式叶轮。

2 数值方法

2.1 计算区域与网格

离心泵的流道入口分为两个组成部分，分别是进水段和过流部，而水泵入口就是进水段，流道的过流部出口连接到水泵首级叶轮。流道入口的作用是进行流体的分离，将流体方向进行改变。在图1中显示的是流道入口的三维流体的计算域。

本文计算流道入口三维流体，采取了非均匀四面体网格与六面体网格相结合的方法进行流场划分，总共分成了1767821个网格单元。由于进水段部分的结构偏简单，所以采取六面体网格；对于结构复杂的过流部，则采取四面体网格法能够更好地将尖角区域进行扑捉。根据流道流场中的流速分布规律，进行网格划分时，要把有较大流速梯度的区域划分成较密的网格，主要位于进水段与过流部的连接位置、导流翼尖、导流翼近壁区，这样有利于获得较好的计算结果。

2.2 边界条件

在进行了“N-S方程”的特征分析后，对本文的建模和计算给出如下的边界条件：

第一，进口条件。设定前置泵的出口压力和流动方向为Z轴。这里有假设条件：（1）叶轮出口处向上的水流速度为均匀分布；（2）此水流也不存在轴向速度分量，通过叶轮进出口的“欧拉方程”得到流动角度。

第二，出口条件。前提给出了出口流量为M=280

kg/s，要确保计算域上的整体流动达到连续性条件，就需要分析进出口流量的差值，从而修正出口断面流速。

第三，壁面条件。给出了绝热和没有滑移的各个条件要求。

3 计算结果

3.1 过流部分布方式

和当前技术的流道入口过流部分布方式不同，在原型中的流道入口导叶设计成于来流流体正对，而新技术的新型流道入口过流部分布方式改成来流流体正对着两导叶之间，具体如图2所示：

根据两种过流部分布方式的导叶设计，通过模拟分析可以得到两种流道分布出口速度分布云图，对比两图，发现新型分布方式的过流部具有极大的出口处速度梯度分布，而原型分布方式的出口速度梯度呈现出明显的降低。

根据计算，得到原型分布出口的中心线处是19.9～25.9m/s的速度分布范围和V=6m/s的速度差，得出新型分布是19.7～27.8m/s的速度分布范围和V=8.1m/s的速度差，用横坐标表示出口中心线的位置，而该位置点的速度值用纵坐标表示。

对两种过流部分布方式的流道入口的进出口平均压力值和入口流体的压力损失进行记录分析，得到两种过流部分布方式中，新型过流部分布方式的内流场压力损失提高了22000Pa，和进口压力相比，增加了5.1%的压力损失。由此得知若改变过流部分布方式，会使得出口处的速度分布恶化，并且也增加了流道入口的压力损失，表示现有的流道入口过流部分布较为合理。

3.2 调整过流部角度方式

这里对旋转过流部和未旋转过流部的流道入口流场部分（后文简称为有旋导流和无旋导流）进行研究，在计算分析后得出了出口速度梯度云图，如图4所示：

从图4看到，有旋导流出口速度梯度要比无旋导流出口速度梯度小，其高压区只在流道入口流体进口部分集中，然而无旋导流分布方式有三处高速分布区域分布在内流场，并出现了较差的出口速度均匀性。

通过对出口中心线速度分布曲线进一步的分析，得到无旋过流部结构为19.9～25.9m/s的速度分布范围和V=6m/s的速度差；有旋过流部的则是22.4～26.2m/s的和V=3.8m/s。表示改进后的有旋过流部具有更好的流道入口出口的流速均匀性。

通过记录两种流道入口进出口平均压力值、压力损失，看到有旋导流中的压力损失出现了较小的增加，增加了3279Pa，仅是进口总压的1%。

4 结语

第一，通过过流部分布方式反的改变，使得出口处的速度分布恶化和极大地加大压力损失。表示已有的流道入口过流部分布的技术比较合理。

第二，改进后的有旋过流部使得流道入口出口的流速均匀性得到很好的改善，只出現了很小程度的增加压力损失，这将给水泵整体性能进行很好的提高。

参考文献

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[2] 林思达，吴大转，王乐勤.卫生型离心泵水力性能的参数化研究[J].工程设计学报，2010，（1）.

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