空間導(dǎo)葉對離心泵性能的影響

空間導(dǎo)葉對離心泵性能的影響

1帶空間導(dǎo)葉的熱膨脹問題空間導(dǎo)葉又稱導(dǎo)葉，主要特點是軸向長，徑向短，用于各種井的泵、導(dǎo)葉泵和混流泵。熔鹽泵是一種立式離心泵,用于高溫硝酸鹽、亞硝酸鹽、離子膜燒堿的輸送,并廣泛用于三聚氫胺、制鹽、制堿及尿素等化工流程中,正常工作溫度在250～420℃之間,多采用空間導(dǎo)葉或流道式導(dǎo)葉作為壓出室來消除不對稱熱膨脹可能引起的故障。針對熔鹽泵帶有空間導(dǎo)葉的典型結(jié)構(gòu),進(jìn)行內(nèi)部流場的研究十分必要。由于試驗研究費用高、周期長,CFD方法已被國內(nèi)外眾多學(xué)者用來研究離心泵內(nèi)三維湍流場。在國外,Roberge對泵葉輪內(nèi)流場進(jìn)行了研究并分析了泵動力學(xué)特性,FelixA.Muggli對混流泵在不同工況下的外特性進(jìn)行了數(shù)值計算并與試驗進(jìn)行了對比,在國內(nèi),郭鵬程、羅興锜等對離心式葉輪和蝸殼內(nèi)的流場進(jìn)行了計算,黃思、吳玉林利用大渦模擬湍流模型對離心泵進(jìn)行了全三維流場模擬,都得到了葉輪及蝸殼內(nèi)較清晰的流場分布。以上學(xué)者均是對葉輪及蝸殼進(jìn)行內(nèi)部流場或外特性研究,國內(nèi)對帶有空間導(dǎo)葉的離心泵內(nèi)流場的數(shù)值研究還較少。本文以帶有空間導(dǎo)葉的離心泵為研究對象,在三種工況下,對包括吸入室、葉輪和導(dǎo)流殼在內(nèi)的全三維湍流場進(jìn)行數(shù)值計算。由于葉輪內(nèi)的流場前人研究較多,在此不再贅述。本文著重研究導(dǎo)流殼內(nèi)的流場分布,該結(jié)果可以為試驗研究和改善空間導(dǎo)葉的水力性能提供參考。2物理模型和控制矩陣2.1周向均勻泵采用n級揚(yáng)程法針對石化、冶金工業(yè)中采用的比轉(zhuǎn)速ns=104的泵,其基本參數(shù)為:流量Q=300m3/h,單級揚(yáng)程H=36m,轉(zhuǎn)速n=1450r/min。泵進(jìn)口直徑d0=200mm,出口直徑d2=200mm,葉輪葉片為6片,空間導(dǎo)葉為7片,分別沿周向均勻分布。由于葉輪后蓋板傾斜,為避免二次回流,斜切葉輪后蓋板外徑,葉輪和導(dǎo)流殼去掉前(上)蓋板的造型如圖1所示。2.2葉輪同步轉(zhuǎn)動及boussi微模型吸入室、導(dǎo)流殼與葉輪的耦合采用了多重參考坐標(biāo)系法,把泵內(nèi)流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時流場,將非定常問題用定常方法計算。假定泵以勻角速度ω旋轉(zhuǎn),建立與葉輪同步轉(zhuǎn)動且Z軸與葉輪軸線重合的坐標(biāo)系,基于Reynolds時均化的N-S方程,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Boussinesq渦粘性系數(shù)假設(shè),連續(xù)性方程和動量方程的張量形式為:?(ρui)?xi=0(1)?(ρui)?xi=0(1)?(ρujui)?xi=fi??p??xi+??xj[μe(?ui?xj+?uj?xi)](2)?(ρujui)?xi=fi-?p*?xi+??xj[μe(?ui?xj+?uj?xi)](2)式中各符號的含義參見文獻(xiàn)。3數(shù)值方法3.1過流通道造型計算計算區(qū)域為吸入室、葉輪和導(dǎo)流殼內(nèi)的過流區(qū)域?？紤]到整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,首先利用三維造型軟件Pro/E分別對吸入室、葉輪和導(dǎo)流殼的過流通道造型,然后利用前處理軟件GAMBIT劃分網(wǎng)格,再利用商用CFD軟件FLUENT進(jìn)行計算。計算中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,非耦合隱式求解,壓力速度耦合采用SIMPLEC算法,動量、湍動能及湍流耗散率的離散采用二階迎風(fēng)格式。3.2自適應(yīng)的kin3/2in/d在泵入口,假定速度均勻并垂直于進(jìn)口截面,根據(jù)設(shè)計流量給定速度初值。設(shè)定進(jìn)口湍動能kin和湍流耗散率εin的值為:{kin=0.01w2εin=cμk3/2in/d(3){kin=0.01w2εin=cμkin3/2/d(3)式中w——泵進(jìn)口軸向速度,m/scμ——常數(shù),取cμ=0.09d——泵進(jìn)口水力直徑,m在泵出口,假定所有變量擴(kuò)散通量為零,即出口平面從前面的計算結(jié)果得到,設(shè)定自由出流邊界條件;吸入室、葉片、葉輪前后蓋板和空間導(dǎo)葉的壁面均采用無滑移固壁條件;在近壁區(qū),由于雷諾數(shù)較小,不能使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,故采用壁面函數(shù)法處理,同時可根據(jù)實際情況考慮壁面粗糙度的影響。4導(dǎo)葉空間導(dǎo)葉設(shè)計導(dǎo)流殼的主要作用是:收集從葉輪中流出的液體,并將其輸送到下一級葉輪入口或泵出口;將液體的動能轉(zhuǎn)換為壓能;盡量消除液體在下一級葉輪入口處的預(yù)旋。由此可見,導(dǎo)流殼是一個重要的能量轉(zhuǎn)換部件,其水力結(jié)構(gòu)及其與葉輪匹配的優(yōu)劣對離心泵性能有著重大影響,有資料表明導(dǎo)流殼內(nèi)的水力損失約占泵內(nèi)水力損失約至40%～50%。本文在設(shè)計空間導(dǎo)葉時,進(jìn)口邊采用正沖角,即空間導(dǎo)葉的進(jìn)口安放角大于葉輪出口的絕對出流角,以減小葉片的扭曲和便于加工鑄造;喉部過流斷面面積與葉輪出口過流斷面面積之比約為1;出口安放角為90°,以消除流體的旋轉(zhuǎn)分量。4.1徑流殼內(nèi)流道內(nèi)的流速圖2、3分別給出了設(shè)計工況下單個流道內(nèi)流體沿導(dǎo)流殼蓋板間流面的速度分布和壓力分布。圖4、5分別給出了設(shè)計工況下流體沿空間導(dǎo)葉工作面(凹面)和背面的速度分布和壓力分布。葉輪對流體做功,流體由葉輪出口高速旋轉(zhuǎn)流出進(jìn)入導(dǎo)流殼,在導(dǎo)流殼進(jìn)口附近流速較大,主要為圓周分量。由于設(shè)計空間導(dǎo)葉時,進(jìn)口邊采用正沖角,此時流經(jīng)導(dǎo)葉背面的流體經(jīng)過的路徑比工作面長,因而在進(jìn)口附近,導(dǎo)葉背面和導(dǎo)流殼流道內(nèi)靠近導(dǎo)葉背面的區(qū)域流速較大,壓力較小;導(dǎo)葉工作面和導(dǎo)流殼流道內(nèi)靠近導(dǎo)葉工作面的區(qū)域流速較小,壓力較大。在導(dǎo)流殼的導(dǎo)流與擴(kuò)壓作用下,沿導(dǎo)流殼蓋板間流面流體流速逐漸降低,圓周分量逐漸減小,而壓力逐漸增加,在導(dǎo)流殼喉部之后,流道內(nèi)存在從導(dǎo)葉背面指向工作面的正壓力梯度。在導(dǎo)流殼出口附近,流體沿軸向流出,工作面附近速度與壓力均比背面附近略大,但周向梯度不大,說明出流較均勻。4.2流量對流道內(nèi)部流動分離的影響圖6為葉輪出口速度三角形,虛線表示大流量工況,點劃線表示小流量工況。當(dāng)流量減小為0.8Q時,葉輪出口軸面流速減小,絕對速度減小,絕對出流角減小,則空間導(dǎo)葉進(jìn)口沖角增大,此時沿空間導(dǎo)葉背面流動的流體邊界層提前分離,并在分離點后形成一旋渦區(qū)(見圖7a),若流量繼續(xù)減小,則進(jìn)口沖角更大,流動分離嚴(yán)重擴(kuò)張,以至充滿流道的相當(dāng)大部分區(qū)域,使損失大大增加,破壞了正常流動,發(fā)生流道內(nèi)的失速現(xiàn)象。反之,當(dāng)流量增大為1.2Q時,葉輪出口軸面流速增大,絕對速度增大,絕對出流角增大,在導(dǎo)流殼進(jìn)口接近無沖擊入流,故導(dǎo)流殼進(jìn)口處速度分布較均勻,其內(nèi)部未出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象(見圖7b),若流量繼續(xù)增加,沖角減小變?yōu)樨?fù)值,此時,流體射向空間導(dǎo)葉背面,在工作面出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象,但流量增加時軸面流速增加,由于流體在導(dǎo)流殼內(nèi)的慣性作用,一定程度上限制了流動分離的擴(kuò)大化。無論是在小流量還是在大流量工況下,導(dǎo)流殼內(nèi)的壓力分布均與設(shè)計工況下變化趨勢類似,并未因在小流量工況時發(fā)生流動分離現(xiàn)象而在空間導(dǎo)葉背面附近區(qū)域產(chǎn)生明顯的壓力梯度增加。圖7～9分別給出了0.8Q和1.2Q工況下,單個流道內(nèi)流體沿導(dǎo)流殼蓋板間流面的速度分布以及流體沿空間導(dǎo)葉工作面和背面的速度分布。5流道內(nèi)發(fā)生壓力(1)在導(dǎo)流殼進(jìn)口,空間導(dǎo)葉背面附近區(qū)域流速較大,壓