低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵進(jìn)口預(yù)旋的數(shù)值計(jì)算研究論文
低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵一般是指比轉(zhuǎn)數(shù)n = 30-80的離心泵，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)排灌、城市供水、鍋爐給水、礦山、石油和化工等領(lǐng)域.與中高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵相比，低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵有其特殊性，即軸功率曲線隨流量增大而迅速上升，通常沒(méi)有極值出現(xiàn)，導(dǎo)致泵在大流量區(qū)運(yùn)行極易產(chǎn)生過(guò)載現(xiàn)象.因此，研究一種具有無(wú)過(guò)載性能的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵設(shè)計(jì)方法具有十分重要的意義.
傳統(tǒng)的無(wú)過(guò)載理論都是假設(shè)葉輪進(jìn)口無(wú)旋，通過(guò)適當(dāng)減小葉輪出口寬度、葉片出口安放角及葉片數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)載性能，最終取得了很好的效果.但有時(shí)受到加工條件、運(yùn)行條件及效率等因素的限制，僅僅在葉輪上實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)載性能比較困難.前置導(dǎo)葉預(yù)旋調(diào)節(jié)技術(shù)在風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)中得到了較為普遍的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外己對(duì)其開(kāi)展了深入的研究，并逐漸應(yīng)用到水泵中，且己證實(shí)該技術(shù)是一種較好的工況調(diào)節(jié)方法.
對(duì)于多級(jí)離心泵，可通過(guò)級(jí)間導(dǎo)葉產(chǎn)生預(yù)旋，對(duì)于單級(jí)離心泵，可通過(guò)前置導(dǎo)葉產(chǎn)生預(yù)旋.為研究預(yù)旋對(duì)離心泵性能的影響，選擇計(jì)算區(qū)域較少的單級(jí)離心泵QDX6-20-0. 75為研究對(duì)象.設(shè)計(jì)3組方案，以商用軟件Fluent 6. 2為平臺(tái)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)和外特性進(jìn)行分析.
1方案設(shè)計(jì)
QDX6-20-0. 75的設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Q =6 m /h揚(yáng)程H=20 m，配套電動(dòng)機(jī)功率P=0.75 kW，轉(zhuǎn)速n =2 850 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)n = 45 .
葉輪和蝸殼的設(shè)計(jì)均采用速度系數(shù)法，并結(jié)合優(yōu)秀水力模型對(duì)該泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，蝸殼采用較小的基圓直徑，葉輪和泵體主要幾何參數(shù)為葉輪進(jìn)口直徑D -48 mm，葉輪輪毅直徑D = 18 mm，葉輪出口直徑D -135 mm，葉輪出口寬度Z = 8 mm，泵體出口直徑D= 34 mm，泵體基圓直徑D3 = 136 mm泵體寬度b3 -20 mm.為減小軸向長(zhǎng)度，前置導(dǎo)葉采用徑向?qū)~形式，由環(huán)形四周進(jìn)水.為更好地引導(dǎo)水流產(chǎn)生預(yù)旋，前置導(dǎo)葉按照等角對(duì)數(shù)螺旋線進(jìn)行設(shè)計(jì).
為了使多級(jí)泵產(chǎn)生不同的預(yù)旋，改變前置導(dǎo)葉的出口安放角。出口寬度文中設(shè)計(jì)了3組方案，其中方案1中900，相當(dāng)于進(jìn)口無(wú)旋，其余方案均增加不同程度的正預(yù)旋.
2數(shù)值模擬
2. 1模型建立
QDX6 -20 -0. 75型潛水泵主體結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、前置導(dǎo)葉、葉輪、蝸殼組成，整泵結(jié)構(gòu)如圖la所示.其中，前置導(dǎo)葉、葉輪和蝸殼為過(guò)流部件.數(shù)值模擬需要對(duì)流場(chǎng)空間進(jìn)行求解，為了獲得流體區(qū)域，首先在繪圖軟件Pro / E中對(duì)各方案前置導(dǎo)葉和葉輪零件進(jìn)行三維造型.然后通過(guò)軸面投影圖畫(huà)出包含水體的旋轉(zhuǎn)體，再導(dǎo)入實(shí)體零件模型對(duì)其作布爾運(yùn)算，即得到流道水體模型.蝸殼的零件造型比水體更為復(fù)雜，而計(jì)算所需的僅是水體.
2. 2網(wǎng)格劃分
文中的網(wǎng)格生成是利用專(zhuān)用前處理軟件包Gambit完成的，對(duì)全流場(chǎng)采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，各方案中蝸殼和出口段的幾何模型是相同的，故采用相同的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，總網(wǎng)格數(shù)保持在1.0 x1護(hù)以上，其計(jì)算性能基本保持穩(wěn)定.
2. 3求解控制參數(shù)及邊界條件
應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k二湍流模型封閉控制方程組，利用SIMPLE算法，速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和渦豁系數(shù)項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式，欠松弛因子取默認(rèn)值，收斂精度均設(shè)置為10-5.進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口采用自由出流，固壁滿(mǎn)足無(wú)滑移條件，即相對(duì)速度=0，壓力取為第二類(lèi)邊界條件.
3多方案性能分析
3. 1靜壓分布
流量口分別為2-6-10 m3/h工況時(shí)，不同方案的靜壓云圖.
各圖中的靜壓分布具有相同的特征，由葉輪進(jìn)口到出口，靜壓逐漸上升，最小值出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口邊背面處，同一半徑上工作面的壓力大于背面的壓力.蝸殼中，靜壓隨著半徑增大而增大，在外壁處達(dá)到最大，沿液流方向，靜壓也會(huì)增大，在擴(kuò)散段中，壓力達(dá)到最大，這是由于蝸殼中液體速度減小，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能.另外，在小流量工況，各方案的靜壓大小及分布幾乎相同，隨著流量的增大，各方案的靜壓都相應(yīng)減小，方案1靜壓減小幅度較方案2和方案3緩慢，方案3減小最快.通過(guò)相同方案不同流量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)旋的影響隨著流量增大逐漸增大，即在小流量工況，正預(yù)旋對(duì)靜壓的降低作用很小，隨著流量增大，正預(yù)旋對(duì)靜壓降低作用越來(lái)越大.通過(guò)相同流量下不同方案對(duì)比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口無(wú)旋的方案1靜壓始終為最高，方案3靜壓始終為最低，說(shuō)明預(yù)旋可以降低泵內(nèi)部的壓力，且預(yù)旋越強(qiáng)，壓力降低幅度越大.
3. 2相對(duì)速度分析
預(yù)旋對(duì)葉輪內(nèi)液體流動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在葉輪進(jìn)口，因此，將葉輪進(jìn)口邊的流態(tài)局部放大.
從圖3中可以看出，葉片背面的相對(duì)速度均大于工作面的相對(duì)速度，這是由于葉輪內(nèi)部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由均勻流與軸向旋渦運(yùn)動(dòng)疊加作用的結(jié)果.從葉片背面至工作面，速度變化梯度由小到大分別為方案1，方案2和方案3.由方案1可以明顯看到，部分液體從葉片背面流向葉片工作面，方案2,3中這種流動(dòng)現(xiàn)象不太明顯.這是由于葉輪按正沖角設(shè)計(jì)，在額定工況下液流角小于葉片安放角，在葉片進(jìn)口邊背面區(qū)域的流體，由于沒(méi)有受到葉片的約束作用，它會(huì)向下一個(gè)葉片的工作面流動(dòng)，在受到工作面的阻擋后，就沿著葉片工作面流動(dòng)，這樣工作面的.速度就會(huì)增大.由此可知液流角越小，這種現(xiàn)象越明顯.
3. 3圓周分速度分析
葉輪內(nèi)部某流體質(zhì)點(diǎn)的速度三角形，圖中u為葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的牽連速度，其方向沿著該點(diǎn)繞軸線所形成的圓在該點(diǎn)的切線方向;為質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度;:為質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度，其方向沿流線上該點(diǎn)的切線方向.絕對(duì)速度:與牽連速度u的夾角為絕對(duì)液流角a，此處規(guī)定當(dāng)絕對(duì)速度徑向分量V.向外流動(dòng)時(shí)為正，向內(nèi)流動(dòng)時(shí)為負(fù);相對(duì)速度、與u方向的夾角月為相對(duì)液流角.葉輪進(jìn)口前的絕對(duì)液流角a是由來(lái)流條件決定的，預(yù)旋的大小可通過(guò)絕對(duì)液流角來(lái)表征，從速度三角形可以看出，在同一流量下絕對(duì)液流角的改變會(huì)引起圓周分速度v、相對(duì)速度、及相對(duì)液流角月的改變，預(yù)旋越強(qiáng)，a越小;若a<0，則說(shuō)明出現(xiàn)了回流.可以通過(guò)觀察絕對(duì)液流角來(lái)研究葉輪前的流動(dòng)狀態(tài).另外，由圖4中葉輪進(jìn)口速度三角形可以看出，正預(yù)旋會(huì)增大液流角，由于方案2,3比方案1有更大的液流角，所以從葉片背面流向工作面的液體會(huì)減少，葉片背面到工作面的速度梯度會(huì)增大.
4結(jié)論
1)預(yù)旋可以降低泵內(nèi)部的靜壓，流量越大，降幅越大;預(yù)旋越強(qiáng)，下降越明顯.
2)葉輪葉片進(jìn)口邊前過(guò)流斷面上的流動(dòng)為復(fù)雜的三元流動(dòng)，由于受到葉輪葉片的影響，沿圓周方向呈現(xiàn)一定周期性，且存在著回流域.
3)預(yù)旋越強(qiáng)，導(dǎo)葉出口圓周分速度也越大，不考慮邊壁影響，圓周速度沿徑向由內(nèi)到外呈增大趨勢(shì)，沿流動(dòng)方向，圓周速度略有減小，與速度矩保持定理有一定的偏差.
4)從外特性看，通過(guò)增加預(yù)旋獲得了陡降的H-Q曲線及平坦的P-Q曲線，并且效率在小流量到額定流量附近還略有提高，因此，通過(guò)預(yù)旋實(shí)現(xiàn)全揚(yáng)程無(wú)過(guò)載是可行的.
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