大耐泵業(yè)有限公司 許金鵬（116620）
沈陽廣播電視大學(xué) 邱海斌（110003）
大耐泵業(yè)有限公司 曲鵬（116620）
江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心 曹璞鈺（212013）
煙臺陽光泵業(yè)有限公司 李陽 （264100）
【摘要】目前國內(nèi)設(shè)計制造的大流量雙吸泵轉(zhuǎn)速普遍較低，無法滿足市場的需求。針對這一現(xiàn)狀，大耐泵業(yè)有限公司成功研制出高轉(zhuǎn)速、大流量、高揚程的雙吸泵。該類型泵設(shè)計難度極大，對制造和裝配工藝要求較高。本文基于三維設(shè)計和CFD技術(shù)，詳細(xì)介紹了設(shè)計及優(yōu)化過程。樣機(jī)經(jīng)試驗驗證，確認(rèn)效率等關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
【關(guān)鍵詞】 大流量 高轉(zhuǎn)速 高揚程 雙吸泵 數(shù)值模擬 效率 國際領(lǐng)先
一、前言
管線增壓泵是一種水平中開、單級雙吸、大流量、高轉(zhuǎn)速的化工泵，API610標(biāo)準(zhǔn)BB1型泵。目前市場上該類型泵，大部分采用四級或六級轉(zhuǎn)速。低轉(zhuǎn)速泵設(shè)計難度低，但泵頭尺寸比較大，制造成本高。大耐泵業(yè)有限公司研制的該類型泵為二級轉(zhuǎn)速，在相同的流量下，具有更高的單級揚程。由于對泵效率的要求極其嚴(yán)苛，必須達(dá)到國標(biāo)A線標(biāo)準(zhǔn)，使得該泵的水力設(shè)計成為難點中的難點。
如今，CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水泵性能的預(yù)測、水力部件的設(shè)計和優(yōu)化。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合大耐泵業(yè)雙吸泵設(shè)計制造的成熟經(jīng)驗，對某規(guī)格的管線增壓泵進(jìn)行水力設(shè)計并提出優(yōu)化方案。經(jīng)試驗驗證，確認(rèn)綜合性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
二、葉輪設(shè)計與性能預(yù)測
設(shè)計參數(shù)如下
流量Q：3600 m3/h 揚程H：230 m 轉(zhuǎn)速r：2990 rpm 必需汽蝕余量NPSHr：35m
1.葉輪設(shè)計
計算比轉(zhuǎn)速，并且比照已有成熟高效的水力模型，決定通過相似換算的方法來設(shè)計葉輪。
對通過相似換算得出的葉輪進(jìn)行三維造型，如圖1所示。之后使用網(wǎng)格生成軟件ICEM 對葉輪三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。葉輪采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，對葉片工作面、背面和葉片入口這樣流動參數(shù)變化劇烈的位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。自動生成網(wǎng)格，自動或手動修改網(wǎng)格，使網(wǎng)格整體質(zhì)量達(dá)到0.4以上，最終網(wǎng)格數(shù)量為602681。將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX-pre 軟件，設(shè)置葉輪入口面屬性為inlet流速v=13.7m/s，葉輪出口面屬性為open，轉(zhuǎn)速n=2980rpm，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，單獨模擬葉輪，計算在100步內(nèi)收斂。
計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFX-post軟件中進(jìn)行分析。觀察葉片與前后蓋板壓力分布情況，葉輪流線，如圖3、4。可以確定葉輪整體性能良好，壓力均勻變化，流線穩(wěn)定無漩渦。利用CFX-POST軟件中自帶Liquid Pump Performance模塊，得到葉輪效率為96.9%。由于單獨對葉輪進(jìn)行模擬，只觀察流場和壓力分布情況，得到的揚程外特性并不準(zhǔn)確，在此忽略。
三、泵體水力設(shè)計與性能預(yù)測
1.壓出室設(shè)計
基圓直徑D3
參考模型泵體水力模型相似換算，并由結(jié)構(gòu)參數(shù)選取
基圓D3=1.1×D2=1.1×470=517 mm，圓整后取520mm。
壓水室進(jìn)口寬度
經(jīng)相似換算后，取渦室截面寬度b3=146mm
渦室各斷面面積的計算
因該規(guī)格泵體需要配0.5 Q、0.7 Q、Q、1.25 Q 四種規(guī)格轉(zhuǎn)子，故在相似換算的基礎(chǔ)上，適當(dāng)放大了喉部截面的面積，以適應(yīng)大流量轉(zhuǎn)子的性能要求。根據(jù)D3、b3及各斷面面積就可以算得各斷面徑向尺寸。由起始截面開始，每45°取一個截面，保證渦殼斷面面積均勻變化。泵體初步水力設(shè)計結(jié)束。
2.泵體水力性能預(yù)測
為了驗證泵體水力性能，對泵體部件進(jìn)行三維造型。將已設(shè)計的葉輪與泵體部件配合后以*.stp格式輸出，導(dǎo)入ICEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5。進(jìn)出口管道流體區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪、渦殼、半螺旋型吸入室采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，并對渦殼隔舌處進(jìn)行加密處理，手動修改網(wǎng)格使網(wǎng)格整體質(zhì)量達(dá)到0.4以上。整體網(wǎng)格數(shù)量為2486227，其中出水段為98400，葉輪563092，進(jìn)口段141825，渦殼917451，吸入室417790。
網(wǎng)格導(dǎo)入CFX-pre軟件，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，進(jìn)口邊界按流量設(shè)置進(jìn)口速度，出口邊界設(shè)置為open，目標(biāo)壓力設(shè)23atm。每兩個相鄰模型體間設(shè)置交接面（interface），非旋轉(zhuǎn)體與非旋轉(zhuǎn)體間interface models設(shè)置為general connection，frame change model設(shè)置為none，非旋轉(zhuǎn)體與旋轉(zhuǎn)體間interface models設(shè)置為general connection，frame change model設(shè)置為frozen rotor。該模型在0.6Q，0.8Q 0.9Q，1.0Q，1.1Q，1.2Q這6個流量點進(jìn)行模擬計算。計算2000步，雖然計算不收斂但是進(jìn)出口壓力長時間穩(wěn)定，計算數(shù)據(jù)可以使用。
計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFX-post軟件中進(jìn)行分析。使用Liquid pump performance模塊得出外特性參數(shù)，結(jié)果低于設(shè)計要求，對渦殼內(nèi)壓力分布和流線進(jìn)行分析，如圖6。
流體在擴(kuò)散管處產(chǎn)生了很大的漩渦，從第Ⅵ斷面開始，壓力分布沒有均勻變化。也就是說，渦殼水力設(shè)計存在缺陷，造成大量能量損失，這是該水力設(shè)計效率偏低的直接原因。
四、泵體水力優(yōu)化與預(yù)測
基于對流場的分析，決定改變渦殼第Ⅳ斷面以后的斷面面積，并且增大隔舌螺旋角，以提高能量回收效率。重新設(shè)計渦殼后，用同樣的方法對新方案進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化后的渦殼壓力分布和流線情況如圖7所示。渦殼的壓力分布明顯變得均勻，沒有出現(xiàn)明顯漩渦，可見能量高效的由速度能轉(zhuǎn)化為壓能，效率提高。外特性參數(shù)與優(yōu)化前對比，如圖8示。優(yōu)化方案已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求。
五、性能試驗及對比分析
經(jīng)過全尺寸樣機(jī)的試制及試驗，實測結(jié)果與理論計算的對比如下表：
六、結(jié)語
試驗結(jié)果表明，本文所述的設(shè)計和優(yōu)化方法，對大流量、高揚程、高轉(zhuǎn)速雙吸泵的設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用，并且得出以下幾點結(jié)論：
1.額定點揚程比設(shè)計值高。是因為設(shè)計時人為增大相似系數(shù)和放大喉部面積導(dǎo)致的；
2.以相似換算為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，在一定范圍內(nèi)，可以保證實型泵效率達(dá)到或超過模型泵的效率，這需要依據(jù)實型泵的流量范圍而定。
3.CFD技術(shù)在對泵的水力設(shè)計有較大的促進(jìn)作用，但如何選擇合適的湍流模型，尚需要進(jìn)一步摸索。
參考文獻(xiàn)
`1` 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計.北京：宇航出版社，2011.
`2` 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用`M`.北京：清華大學(xué)出版x社，2004.
`3` 李紅，袁建平，湯躍，趙斌娟，等.雙吸離心泵性能提高及其試驗研究`J`..農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，36（12），2005.
`4` 張克危.流體機(jī)械原理`M`.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
