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大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化设计

   日期:2018-04-04     浏览:1394    
核心提示:目前国内设计制造的大流量双吸泵转速普遍较低,无法满足市场的需求。

许金鹏1 邱海斌2 曲鹏1 曹璞钰3 李阳4

1 大耐泵业有限公司 116620

2 沈阳广播电视大学 110003

3 江苏大学 流体机械工程技术研究中心 212013

4 烟台阳光泵业有限公司 264100

摘要:目前国内设计制造的大流量双吸泵转速普遍较低,无法满足市场的需求。针对这一现状,大耐泵业有限公司成功研制出高转速、大流量、高扬程的双吸泵。该类型泵设计难度极大,对制造和装配工艺要求较高。本文基于三维设计和CFD技术,详细介绍了设计及优化过程。样机经试验验证,确认效率等关键参数达到国际领先水平。

关键词:大流量;高转速;高扬程;双吸泵;数值模拟;效率;国际领先

一、前言

管线增压泵是一种水平中开、单级双吸、大流量、高转速的化工泵,API610标准BB1型泵。目前市场上该类型泵,大部分采用四级或六级转速。低转速泵设计难度低,但泵头尺寸比较大,制造成本高。大耐泵业有限公司研制的该类型泵为二级转速,在相同的流量下,具有更高的单级扬程。由于对泵效率的要求极其严苛,必须达到国标A线标准,使得该泵的水力设计成为难点中的难点。

如今,CFD技术已经广泛应用于水泵性能的预测、水力部件的设计和优化。本文基于数值模拟技术,结合大耐泵业双吸泵设计制造的成熟经验,对某规格的管线增压泵进行水力设计并提出优化方案。经试验验证,确认综合性能达到国际领先水平。

二、叶轮设计与性能预测

设计参数如下

流量Q3600 m3/h 扬程H230 m 转速r2990 rpm 必需汽蚀余量NPSHr35m

1 叶轮设计

计算比转速,并且比照已有成熟高效的水力模型,决定通过相似换算的方法来设计叶轮。

对通过相似换算得出的叶轮进行三维造型,如图1所示。之后使用网格生成软件ICEM 对叶轮三维模型进行网格划分,如图2所示。叶轮采用非结构四面体网格,对叶片工作面、背面和叶片入口这样流动参数变化剧烈的位置进行网格加密。自动生成网格,自动或手动修改网格,使网格整体质量达到0.4以上,最终网格数量为602681。将网格导入CFX-pre 软件,设置叶轮入口面属性为inlet流速v=13.7m/s,叶轮出口面属性为open,转速n=2980rpm,使用标准k-ε湍流模型,单独模拟叶轮,计算在100步内收敛。


计算数据导入CFX-post软件中进行分析。观察叶片与前后盖板压力分布情况,叶轮流线,如图34。可以确定叶轮整体性能良好,压力均匀变化,流线稳定无漩涡。利用CFX-POST软件中自带Liquid Pump Performance模块,得到叶轮效率为96.9%。由于单独对叶轮进行模拟,只观察流场和压力分布情况,得到的扬程外特性并不准确,在此忽略。

三、泵体水力设计与性能预测

1 压出室设计

1)基圆直径D3

参考模型泵体水力模型相似换算,并由结构参数选取

基圆D3=1.1×D2=1.1×470=517 mm,圆整后取520mm

2)压水室进口宽度

经相似换算后,取涡室截面宽度b3=146mm

3)涡室各断面面积的计算

因该规格泵体需要配0.5Q0.7QQ1.25 Q 四种规格转子,故在相似换算的基础上,适当放大了喉部截面的面积,以适应大流量转子的性能要求。根据D3b3及各断面面积就可以算得各断面径向尺寸。由起始截面开始,每45°取一个截面,保证涡壳断面面积均匀变化。泵体初步水力设计结束。

2 泵体水力性能预测

为了验证泵体水力性能,对泵体部件进行三维造型。将已设计的叶轮与泵体部件配合后以*.stp格式输出,导入ICEM软件中进行网格划分,如图5。进出口管道流体区域采用结构化网格,叶轮、涡壳、半螺旋型吸入室采用非结构四面体网格,并对涡壳隔舌处进行加密处理,手动修改网格使网格整体质量达到0.4以上。整体网格数量为2486227,其中出水段为98400,叶轮563092,进口段141825,涡壳917451,吸入室417790

网格导入CFX-pre软件,使用标准k-ε湍流模型,进口边界按流量设置进口速度,出口边界设置为open,目标压力设23atm。每两个相邻模型体间设置交接面(interface),非旋转体与非旋转体间interface models设置为general connectionframe change model设置为none,非旋转体与旋转体间interface models设置为general connectionframe change model设置为frozen rotor。该模型在0.6Q0.8Q 0.9Q1.0Q1.1Q1.2Q6个流量点进行模拟计算。计算2000步,虽然计算不收敛但是进出口压力长时间稳定,计算数据可以使用。

计算数据导入CFX-post软件中进行分析。使用Liquid pump performance模块得出外特性参数,结果低于设计要求,对涡壳内压力分布和流线进行分析,如图6

流体在扩散管处产生了很大的漩涡,从第断面开始,压力分布没有均匀变化。也就是说,涡壳水力设计存在缺陷,造成大量能量损失,这是该水力设计效率偏低的直接原因。

四、泵体水力优化与预测

基于对流场的分析,决定改变涡壳第断面以后的断面面积,并且增大隔舌螺旋角,以提高能量回收效率。重新设计涡壳后,用同样的方法对新方案进行模拟分析,优化后的涡壳压力分布和流线情况如图7所示。涡壳的压力分布明显变得均匀,没有出现明显漩涡,可见能量高效的由速度能转化为压能,效率提高。外特性参数与优化前对比,如图8示。优化方案已经达到设计要求。

五、性能试验及对比分析

经过全尺寸样机的试制及试验,实测结果与理论计算的对比如下表:

六、结语

试验结果表明,本文所述的设计和优化方法,对大流量、高扬程、高转速双吸泵的设计有一定的指导作用,并且得出以下几点结论:

一、额定点扬程比设计值高。是因为设计时人为增大相似系数和放大喉部面积导致的;

二、以相似换算为基础的设计方法,在一定范围内,可以保证实型泵效率达到或超过模型泵的效率,这需要依据实型泵的流量范围而定。

三、CFD技术在对泵的水力设计有较大的促进作用,但如何选择合适的湍流模型,尚需要进一步摸索。

参考文献

`1` 关醒凡.现代泵理论与设计.北京:宇航出版社,2011.

`2` 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用`M`.北京:清华大学出版x社,2004.

`3` 李红,袁建平,汤跃,赵斌娟,等.双吸离心泵性能提高及其试验研究`J`..农业机械学报,3612),2005.

`4` 张克危.流体机械原理`M`.北京:机械工业出版社,2000.

 
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