不同参数对多级离心泵性能的影响

2021-10-15杜文华

机械管理开发 2021年9期

杜文华

（山西省节能中心有限公司，山西太原 030009）

引言

多级离心泵主要是通过转移原动机的能量至被抽送液体中，直接影响其工作性能的是内部流动特征，可广泛应用于制药、化工、建筑给排水、消防、排污、制冷、暖通、民用以及工业等领域。传统设计离心泵的方法主要是依靠理论与经验计算方式，但在实际工作中应用该设计方法并未能达到所需生产制造要求。若想规避以上传统设计方式所涉及到的生产弊端，可对多级离心泵的实际工作性能进行预测，并以此为基础提出应有的解决优化方案。在20世纪60年代中期，计算流体力学（CFD）随着计算机技术的快速发展而兴起，其主要包括偏微分方程数学理论、流体力学、计算机科学、数值方法及数据处理，为预测多级离心泵的工作性能提供了可能，也表示出工程流体力学将进入发展的新阶段。CFD主要是以计算机为工作载体，通过建立出实体模型并提出流动现象的控制方程，确定得出定解条件（边界条件和初始条件），并依据模拟数值的方法求解得出相关流动现象的近似解或数值解[1]。可进一步把CFD理解为：在解决某个工程问题或者流体动力学问题中，可利用离散点的集合来代替一定时间和空间域内的连续物理量并利用相应的计算原则来建立以及求解所涉及到的代数方程，最终得到近似值的过程[2]。据此研究技术，可以得出如离心泵中关键部件叶轮的不同结构参数对多级离心泵工作性能的影响。同时，根据预测得出的影响规律可直接验证某些设计步骤以及相应的设计参数是否必要，如此便可以优化离心泵的设计方向，最终获得出理想的结构。应用该技术方法，不仅缩短了工作周期，而且进一步节约了人力以及缩减了相应的开支，有重要的研究意义。

下述主要针对叶片数、叶轮的进出口直径等不同参数对多级离心泵设计点性能、内流场以及H-Q曲线的影响。

1 不同参数对离心泵设计点性能的影响

1.1 叶片数对设计点性能的影响

叶片数与离心泵的效率、扬程等性能息息相关。选择叶片数即需要兼顾叶片的表面摩擦以及其排挤的问题，同时，更要确保流动的稳定性和流体与叶片之间的相互影响。表1展示出不同叶片数对设计点性能的预测结果。

表1 不同叶片数的设计点性能

通过分析表1不同叶片数对设计点性能的影响，结果表明随着叶片数的增大，其扬程则先增大随后减小。叶片为6和7时离心泵具有相近的扬程值，且比叶片数为5和8时的扬程值大，随着叶片其片数的增加，相应扬程值的增幅并未得到相应的增加。同比于叶片数对扬程的影响规律，效率也具有相似的影响趋势，即叶片为6和7时离心泵具有相近的效率值且为最大效率，叶片数为5和8时则相对效率值较小。可以得出，随着叶片数的增大，其效率也是先增大后减小。由此可以得出，叶片数对设计点性能包括其效率及扬程的影响，并不随着叶片数的增大或者减小得出效果最佳，而是当叶片数为6、7时，离心泵具有较佳的性能。

1.2 叶轮进口直径对设计点性能的影响

与叶片数对扬程、效率的研究方法一致，叶轮进口直径对这两者的影响也较为相似。设置叶轮进口直径分别为0.142 m、0.146 m、0.150 m以及0.154 m，当进口直径为0.150 m时，其预测扬程与预测效率均为最大值。当进口直径为0.154 m时，其预测扬程值以及预测效率反而减小；当叶轮进口直径小于0.150 m时，随着进口直径的值增大，即预测扬程与效率则相应的增大。总体来说，叶轮进口直径对预测扬程值以及预测效率呈现先增大后减小的变化规律。除此之外，多级离心泵的进口直径实际影响其进口的速度，且该速度值一般小于或等于3~4 m/s，过大的进口速度则易降低抗气蚀性能及效率。同时，并非越大的叶轮进口直径性能越好，如此极易导致离心泵的进口流道扩散严重，如此便有漩涡的形成，破坏较为良好的速度分布，降低离心泵的效率。更为严重的是过大的进口直径则会增加在其密封环处的间隙面积，增大容积量损失以及增加泄漏量[3]。因此，为达到离心泵良好的性能，则需选择其进口直径为0.150 m。

1.3 叶轮出口直径对设计点性能的影响

通过设置叶轮的出口直径分别为0.362 9 m、0.364 9 m、0.366 9 m以及0.370 9 m，分析其对多级离心泵扬程以及效率的影响。结果表明，叶轮的出口直径对多级离心泵的效率无明显影响规律；对于离心泵的扬程来说，在所设置的出口直径范围内，随着离心泵出口直径增大，则扬程值相应地增大。总的来说，随着叶轮出口直径的增大，则该离心泵具有大流量以及高扬程；反之，则具有小流量以及低扬程。

2 不同参数对离心泵内流场的影响

1）叶片数对内流场的影响：在同一半径下，非工作面压力低于工作面的压力且随着半径的增大压力也随之递增，叶片数越多则更有益于均匀分布内流场的压力；

2）进口直径对内流场的影响：进口直径对内流场总压分布无明显的影响规律，不同的进口直径主要针对于进口处的影响，最小的进口压力主要是针对其0.142 m的进口直径，且进口总压随着进口直径的增加而增大；

3）出口直径对内流场的影响：出口直径也对内流场总压分布无明显的影响规律，不同的出口直径主要针对于出口处的影响，出口总压随着出口直径的增加而增大，这也与扬程随着出口直径增大而增大的影响规律一致。

3 不同参数对离心泵H-Q曲线的影响

本部分主要简述叶片数、叶轮的进出口直径等不同参数对多级离心泵H-Q曲线的影响。叶片数对H-Q曲线（见图1）的影响：叶片数为5~8时，随着叶片数增大则曲线斜率越小，曲线越平缓。虽然叶片数越少越容易消除或减小在H-Q曲线中的驼峰现象，但过少的叶片数则更容易形成流道漩涡，最终降低离心泵效率。

图1 叶片数对H-Q曲线的影响

1）进口直径对H-Q曲线的影响：与进口直径对设计点性能的影响规律一致，一些非设计点当叶轮进口直径小于0.150 m时，随着进口直径的值增大，即预测扬程与效率则相应的增大，反之，当进口直径大于0.150 m时，随着进口直径的值增大，即预测扬程与效率却减小。即当进口直径增大到一定值时，相应的，相应的离心泵在抗气蚀性能以及效率方面均达到最佳值[4]。

2）出口直径对H-Q曲线的影响：当流量较小时，出口直径对该离心泵的扬程无明显的影响规律，当增大流量时，随着出口直径的增大，其扬程值也相应增大。大的叶轮直径则会具有相对较陡的性能曲线，驼峰现象不易产生。