旋涡泵工作过程特性研究与数值模拟

2018-06-25龙创平曹红伟李天敏

装备制造技术 2018年4期

龙创平，曹红伟，李天敏

（西安航天动力实验技术研究所，陕西西安 710100）

0 前言

旋涡泵是一种具有小流量高扬程显著优点的泵，在国民经济的很多领域都有它的身影[1]。旋涡泵经过多年的发展，不断改进，已经初步形成了较为完善的设计系统，旋涡泵固然有其独特的优点，但也有有待改进的地方，如效率低，抗汽蚀性能较差等，因此研究旋涡泵的工作过程并完善其不足，具有十分重要的现实意义[2]。因为旋涡泵内部流动十分复杂，要从理论上来分析旋涡泵的工作过程十分困难，而用数值模拟的方法对其工作过程和工作特性的研究是直观而有效的方法[2]。

本文利用数值模拟的方法，运用Fluent软件对径向间隙为0.25 mm的三维模型工作过程进行数值模拟，对其内部流场进行了揭示，对其工作原理做了进一步阐明。

1 旋涡泵的组成及工作原理

1.1 旋涡泵的组成

如图1所示为旋涡泵的结构示意图，由叶轮、叶片、泵壳、引流道及间壁组成。

图1 旋涡泵

由图可以看出其具有构造简单的特点。小流量，高扬程也是旋涡泵另外一个属性。通常扬程都在100 m以上，流量小的旋涡泵可到0.05 L/s.旋涡泵往往只有一个叶轮，多为单级泵，旋涡泵的比转速一般低于40.旋涡泵有闭式和开式之分，开式叶轮的叶片尺寸较长，被传输的介质先是从吸入口到达叶轮，接下来才到达流道。而闭式叶轮的叶片尺寸较短，被传输的介质先从吸入口进入流道，然后从流道进入到叶轮内。通常采用闭式旋涡泵作为汽油泵、碱泵和小型锅炉给水泵等。

1.2 旋窝泵的工作原理

在叶轮转动时，叶轮里的液体受到的作用大，因此它的离心力与流道里的介质所受的离心力要大，因此，两者之间就会形成一种旋涡运动，因为这种旋涡的中心线是沿着流道的纵向方向，因此称为纵向旋涡。在这种旋涡的作用下，被传输的介质能多次进出叶轮，叶轮也会多次对介质做功，从而使介质获得能量。叶轮内的液体从叶轮流出之后与流道内的液体汇合，因为两者的速度不同，所以发生能量交换，叶轮内的液体把能量传给流道内的液体，正是由于这种纵向旋涡的存在，使得泵的扬程具有很高的扬程。

用动量交换原理来解释内部流动，所得的扬程计算公式为：

式中：ψ为扬程系数；u2为叶轮外圆圆周速度，m/s.

2 旋涡泵工作过程的数值模拟

2.1 模型的建立

叶轮采用闭式叶轮，叶片数为32片，叶片之间的夹角为11.25°，叶片厚度为1.2 mm，叶轮直径为60 mm，入口流道截面为圆，直径20 mm，泵壳内径74 mm.用Solidworks软件对叶轮及泵流动区域进行三维建模，如图2所示：

图2 叶轮及流道模型

2.2 网格的划分

本文采用边界表示法来对实体进行表示。将建好的三维模型保为.SLDPRT格式，运用gambit软件进行网格划分，采用非结构化四面体网格进行网格划分，设置边界条件，如图3所示。

图3 边界条件

3 数值模拟结果与分析

通过模型数值模拟，分别对整体压力、整体速度、流道进出口截面、叶轮内流道、叶轮与泵壳之间的流道、X=3截面、Y=3截面、Z=2截面这八种视图对压力场和速度场进行展示。

3.1 压力场

从图4中可以看出，压力从进口处随着流道不断升高，流体进口处为负压。沿着径向方向，呈现一定的压力梯度，叶轮里的压力低于流道里的压力，隔舌处出现明显的压力分层，出口高进口低。

图4 压力场云图

3.2 速度场

从图5中可以看出，速度在叶轮内达到最高值，最高值出现在进口处叶轮，而且沿着径向方向，叶轮里速度的变化趋势为先减少再升高，即叶轮外缘靠近流道的流体速度是最高的。

图5 速度场云图

3.3 出口回流的形成和改进

如图6所示为旋涡泵出口速度矢量放大图。

图6 旋涡泵出口速度矢量放大图

从图可以看到，旋涡泵出口处出现了一定量的回流，这是由于流道出口处的速度不均匀而导致了压力的不均匀。回流的存在使得旋涡泵的流量减少，工作效率降低，因此要避免出现回流。在这提出一个办法，将与泵体形成一定角度的出口流道左侧用圆滑过渡代替，把出口流道左侧倾斜方向改成与图中速度指向一致的方向，可以避免出现因流速不一致导致的压力差，从而避免回流，提高旋涡泵工作效率。

3.4 流线图

用Tecpolt软件进行处理得到旋涡泵内部流线图如图7所示，可以看出，旋涡集中在叶轮的两侧，而且旋涡出现在叶轮外缘靠近流道的地方。旋涡是旋涡泵传递能量的形式，旋涡出现得越多，单个旋涡越强烈，传递的能量越多，从图中可以看出，纵向旋涡出现在流道与叶轮流道之间，图中的上部是靠近进口的截面，下部是靠近出口的截面，下部的旋涡要比上部的旋涡更为强烈，这说明了靠近出口的液体所获得的能量越大。

图7 流线图

叶轮转动时，叶轮里的液体受到的作用大，因此它的离心力与流道里的介质所受的离心力要大，因此，两者之间就会形成一种旋涡运动，在这种旋涡的作用下，被传输的介质能多次进出叶轮，叶轮也会多次对介质做功，从而使介质获得能量。叶轮内的液体从叶轮流出之后与流道内的液体汇合，因为两者的速度不同，所以发生能量交换，叶轮内的液体把能量传给流道内的液体，由此得知旋涡泵主要就是依靠纵向旋涡来进行能量的交换和传递。