低比转速离心泵泵腔结构优化改进

严文泽，郑英杰

（大连深蓝泵业有限公司，辽宁大连 116031）

与中高比转速离心泵相比，低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点，广泛应用于农业生产、石油化工、冶金及航空航天等领域[1]。但目前，低比转速离心泵效率低问题一直是困扰低比转速离心泵发展的关键难题[2-3]。对于低比转速离心泵，圆盘摩擦损失严重影响了离心泵的性能。

当叶轮高速旋转时，由于工作介质与叶轮盖板之间摩擦力、液体黏滞力的影响，泵腔内介质质点产生绕中心轴的圆周运动以及在轴面上的二次环流运动，两种流动的合成造成的能量损失称为圆盘摩擦损失[4]。当前常用的计算圆盘摩擦损失的公式[5]为：

式中 γ——工作介质的密度，kg/m3；

K——圆盘摩擦系数；

u2——叶轮的圆周速度，m/s；

D2——叶轮外径，m。

其中，圆盘摩擦系数与泵腔尺寸有关。因此，可以通过优化泵腔结构，降低离心泵的圆盘摩擦损失。目前，从整个泵行业来看，泵腔结构的设计主要是从铸造工艺、强度、刚度及成本控制等方面考虑的[6-8]。

国内外学者对腔体结构对泵性能影响进行了一定研究。斯捷潘诺夫[9]指出当圆盘与泵侧壁间隙增大时，圆盘旋转所需的功率也随之增加；范宗霖[10]通过试验验证指出，泵腔宽度对泵性能影响较大，当泵腔宽度减小时，泵扬程和效率均有所提升，且泵的汽蚀余量也减小了。

本文选取本公司一台比转速为55 的单级单吸离心泵作为研究对象，采用数值模拟、3D 打印及试验研究相结合的方法，通过改变离心泵腔体结构形式，研究腔体结构对泵水力性能的影响，为今后低比转速离心泵腔体结构的设计提供参考依据[11-12]。

1 计算模型与边界条件

本文所选离心泵的设计参数如表1 所示，其结构图如图1 所示。

表1 泵设计参数Table 1 Pump design parameters

图1 离心泵结构Fig.1 Structure drawing of centrifugal pump

根据该泵二维图纸，采用Solidworks 软件分别对该泵吸入室、叶轮、压水室以及前后腔体进行三维建模，模型比例为1∶1，如图2 所示。原始泵腔结构和优化方案腔体的水体部分如表2 所示，优化方案为减小前腔体积。

表2 泵腔水体部分示意Table 2 Schematic diagram of water body in the pump chamber

应用ANSYS ICEM 网格划分软件，采用适应性较强的非结构化四面体网格对整个计算域进行网格划分，并对叶片进口、出口、圆角等重要位置进行局部网格加密处理，整机计算域总网格数量约291 万，网格质量在0.25 以上，网格模型如图3 所示。

图2 离心泵整机三维模型Fig.2 Three-dimensional model of the centrifugal pump machine

图3 计算域网格模型Fig.3 Calculation domain grid model

本文采用CFX 软件对离心泵内部流场进行三维定常数值模拟，基于不可压缩流体的N-S 方程和RNG k-ε 湍流方程，固体壁面采用无滑移边界条件，采用SIMPLE 算法求解压力-速度耦合方程组[8]。进口边界条件设置为质量流量进口，出口边界条件为自由出流[9]。

2 计算结果

在Q=60，70，80 及100 m3/h 工况下分别对原始泵腔方案和优化方案泵内部流场进行求解计算，分析并评价泵腔结构形式对泵水力性能的影响。

2.1 流场分析

当泵运行过程中，部分液体会沿着蜗壳两侧流入前后腔内。在叶轮前后盖板的旋转作用下，前后腔内液体大约以0.25 ω 的角速度进行旋转。图4 为原始泵腔的速度流线分布图，从图中可以看出，在原始泵腔中前腔内速度流线分布较差，杂乱分布着许多大小不一的漩涡。

图4 原始泵腔速度流线分布Fig.4 Velocity streamline distribution diagram of the original pump cavity

图5 为优化方案泵腔的速度流线分布图，优化方案减小了前腔体积。由图中可以看出，前腔内速度流线分布更紧凑，有利于减小腔内漩涡的扩散、分离，从而减小了前腔部分的能量损失。

图5 优化方案泵腔速度流线分布Fig.5 Velocity streamline distribution diagram of the optimized pump cavity

2.2 外特性分析

对不同工况下CFD 计算结果进行处理，如表3所示。

表3 外特性计算结果Table 3 Calculation results of external characteristics

图6 计算外特性曲线Fig.6 Calculated external characteristic curve

由图6 可知，优化方案的外特性曲线变化趋势与原始方案曲线一致，优化方案的扬程和效率均高于原始方案值。在额定流量Q=80 m3/h 工况下优化方案的效率比原始方案提高了2.61%，扬程增加了2.1 m。

3 试验研究

对原始方案和优化方案进行试验研究。运用3D快速成型技术对优化方案的泵腔结构进行3D 打印，并粘接在泵腔中进行试验验证，如图7、8 所示。在试验过程中除泵腔结构外，其余试验条件保持一致。

试验结果如表4 所示。

图7 原始泵腔结构Fig.7 Original pump cavity structure

图8 优化方案泵腔结构Fig.8 Optimized pump cavity structure

表4 试验数据结果Table 4 Experimental data results

图9 试验外特性曲线Fig.9 Experimented external characteristic curve

由图6、图9 可知，试验外特性曲线与CFD 计算曲线趋势相同，优化方案的扬程和效率均高于原始方案值。试验扬程值和效率值低于CFD 计算值，这是由于CFD 计算时未考虑口环泄漏引起的容积损失以及轴承、填料等处的机械损失。

在额定流量Q=80 m3/h 工况下，优化方案的试验扬程为77.89 m，比原始方案提高了2.41 m；试验效率为64.71%，比原始方案增加了3.8%。

由此可知，当减小泵腔体积后，该泵的扬程和效率均有明显提升。

4 结论

综上所述，本文针对一台低比转速离心泵，通过采用CFD 数值模拟、3D 打印及试验研究相结合的方法，研究了腔体结构对泵性能的影响，得出结论如 下：

（1）试验结果与CFD 计算结果一致。通过对腔体结构优化改进后，该泵的扬程和效率有明显提升。

（2）通过CFD 分析及试验验证，说明腔体结构对低比转速离心泵性能影响较大。在今后低比转速离心泵腔体结构的设计中，除了考虑铸造工艺、强度、刚度等因素外，还应重点考虑泵腔对泵性能的影 响。

（3）在低比转速离心泵泵腔结构设计时，在设计、加工及装配允许的条件下，应尽可能减小腔体体积，并使泵腔形状规则，有利于提高低比转速离心泵的水力性能。