多级离心泵吸水室水力特性及优化研究

2018-10-22麻彦

山西水利科技 2018年2期

麻彦

（山西水利职业技术学院工程管理系山西太原 030027）

0 引言

多级离心泵通过串联叶轮来提高扬程，结构紧凑，效率较高，而广泛应用于石油化工、森林消防、高层建筑等领域[1-3]。电机置于进水侧，吸入段为侧向进水结构，为提高入流条件，往往采用环形吸水室结构，一方面满足结构布置需求，另一方面尽可能的为首级叶轮提供良好的进水条件。

为提高多级离心泵吸水室的水力性能，付强[4]通过不同方案指出环形空间采用弧形结构是降低水力损失的一种有效措施，论文[5-6]指出改善入流条件，对叶轮的效率有明显的提高。吴大转[7]、郭傲辉[8]等人对离心泵进行了性能预测与叶轮的优化研究。周文杰等[9]对多级离心泵的结构进行分析。

作为多级离心泵吸入段的环形吸水室结构，前人往往采用水力损失大小来反映进水结构的好坏，而水力损失并不能反映出进水条件的好坏，本文通过CFD模拟技术，在对吸水室水力特性分析的基础上，以进水流道出口截面的流速分布均匀度[10]为指标进行多方案的优化设计，提高多级离心泵吸入段的性能。

1 吸水室水力特性

1.1 计算模型

本文研究对象为多级离心泵吸入段，吸入室为环形侧向进水结构。进口直径200 mm，环形空间外部直径为320 mm，内部直径为152 mm，出口外直径为175 mm，内直径为92 mm。为得到稳定的收敛结果，将出口适当延长。吸水室根据特征结构采用UG建模，为精确捕捉流动特点，网格在ICEM中利用BLOCK块创建高质量的结构网格，并且在拐角处适当加密。模型见图1所示。

图1 吸水室计算模型

1.2 边界条件设置

模型采用雷诺时均N-S方程和标准κ-ε紊流模型，壁面采用no-slip无滑移壁面条件设置。计算域流体选择默认的25°水体，不考虑传热，进口设置为质量流进口，按照设计流量工况300 m3/h指定流量进口，出口设置为相对大气压，值为0 Pa，其中控制方程的扩散项采用中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，源项局部线性化。最大迭代步数为500，残差值设置为 10-5。

1.3 计算结果分析

在迭代曲线中，初设方案中因脱流存在影响内部流场结构的稳定性，收敛不足10-5，在达到指定计算步数后结束计算。为深入分析环形吸水室内部的流态，分别沿着对称面、轴横截面及吸入段出口取出速度矢量图如图所示，各截面及速度矢量图如图2所示。

图2 截面速度矢量图

从对称面可知，水流在环形吸水室近入口侧和远离入口侧速度分布不均，在环形空间的底部速度值整体较小，主要是受中间部分阻隔影响所致，在此影响下，水流被迫转向流向出口，同时又受拐角处的涡带压缩影响，在出口靠近轴上方出现局部速度较大值分布，如截面3上部的速度分布。从截面2可以发现在环形底部存在对称的涡带。由截面3可知最终在吸入室出口的速度分布受侧向入流和环形空间的影响，速度分布集中体现在顶部分布不均，而在底部相对较均匀。

2 吸水室水力性能优化

2.1 方案设计

在不影响原有结构布置的情况下设计了三种对比方案。第一种方案将回流区空间压缩，类似于簸箕型进水流道，如图3-b；第二种方案将后壁做成“ω”型，利用w结构调整水流，类似于钟型进水流道结构，如图3-c；第三种方案设置整流板，引导水流平顺过渡，在后壁设置隔板减小底部涡带结构，采用嵌入式网格，并减小中间蜗室的长度，如图3-c。各方案网格模型见图3所示。

2.2 优化结果

2.2.1 出口截面速度云图

为比较不同方案的水力性能，将吸水室出口截面的速度云图取出，整理成图4所示，出口的平均轴向速度为4.79 m/s，不同方案速度分布范围均取1.0～7.0 m/s。

图3 模型表面网格

图4 出口截面速度云图分布

原始方案中吸入段出口的速度云图分布不均，不仅沿着圆周方向，并且在半径方向也不均，对应论文[11]的不均匀1与不均匀2分布，速度极大值与极小值出现在在上半部，其中小于1.0 m/s的速度区域在顶部构成月牙形，月牙区域下面速度急速增加，两侧的速度略高于中间。

优化方案一通过压缩吸水室底部空间，有效减小了回流区域，底部的低速区域有效减少，顶部的高速区域及月牙形低速区域均减小，速度分布均匀度有效提高，对内部流态结构影响见论文[6]的分析；方案二通过在方案一的基础上将圆形后壁改成两段圆弧，构成“ω”型后壁，对应矢量图中底部的涡带具有很好的抑制作用，从速度云图中也可直观的反映出速度分布能够进一步得到改善；优化方案3在所有方案中改善效果最好，截面最大速度从7.0m/s以上降低到了5.2m/s以下。在流场结构本身紊乱的情况下通过调整外部轮廓线远不及内部整流措施效果明显。

2.2.2 面积加权流速均匀度

以面积加权流速均匀度为判别指标，其定义如下[12]，取出整理成图5所示。