低比轉數離心泵進(jìn)口預旋的數值計算研究論文
低比轉數離心泵一般是指比轉數n = 30-80的離心泵，廣泛應用于農業(yè)排灌、城市供水、鍋爐給水、礦山、石油和化工等領(lǐng)域.與中高比轉數離心泵相比，低比轉數離心泵有其特殊性，即軸功率曲線(xiàn)隨流量增大而迅速上升，通常沒(méi)有極值出現，導致泵在大流量區運行極易產(chǎn)生過(guò)載現象.因此，研究一種具有無(wú)過(guò)載性能的低比轉數離心泵設計方法具有十分重要的意義.
傳統的無(wú)過(guò)載理論都是假設葉輪進(jìn)口無(wú)旋，通過(guò)適當減小葉輪出口寬度、葉片出口安放角及葉片數來(lái)實(shí)現無(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、運行條件及效率等因素的限制，僅僅在葉輪上實(shí)現無(wú)過(guò)載性能比較困難.前置導葉預旋調節技術(shù)在風(fēng)機和壓縮機中得到了較為普遍的應用，國內外己對其開(kāi)展了深入的研究，并逐漸應用到水泵中，且己證實(shí)該技術(shù)是一種較好的工況調節方法.
對于多級離心泵，可通過(guò)級間導葉產(chǎn)生預旋，對于單級離心泵，可通過(guò)前置導葉產(chǎn)生預旋.為研究預旋對離心泵性能的影響，選擇計算區域較少的單級離心泵QDX6-20-0. 75為研究對象.設計3組方案，以商用軟件Fluent 6. 2為平臺，通過(guò)數值模擬對其內流場(chǎng)和外特性進(jìn)行分析.
1方案設計
QDX6-20-0. 75的設計參數為流量Q =6 m /h揚程H=20 m，配套電動(dòng)機功率P=0.75 kW，轉速n =2 850 r/min，比轉數n = 45 .
葉輪和蝸殼的設計均采用速度系數法，并結合優(yōu)秀水力模型對該泵進(jìn)行結構設計，蝸殼采用較小的基圓直徑，葉輪和泵體主要幾何參數為葉輪進(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(cháng)度，前置導葉采用徑向導葉形式，由環(huán)形四周進(jìn)水.為更好地引導水流產(chǎn)生預旋，前置導葉按照等角對數螺旋線(xiàn)進(jìn)行設計.
為了使多級泵產(chǎn)生不同的預旋，改變前置導葉的出口安放角。出口寬度文中設計了3組方案，其中方案1中900，相當于進(jìn)口無(wú)旋，其余方案均增加不同程度的正預旋.
2數值模擬
2. 1模型建立
QDX6 -20 -0. 75型潛水泵主體結構主要由電動(dòng)機、前置導葉、葉輪、蝸殼組成，整泵結構如圖la所示.其中，前置導葉、葉輪和蝸殼為過(guò)流部件.數值模擬需要對流場(chǎng)空間進(jìn)行求解，為了獲得流體區域，首先在繪圖軟件Pro / E中對各方案前置導葉和葉輪零件進(jìn)行三維造型.然后通過(guò)軸面投影圖畫(huà)出包含水體的旋轉體，再導入實(shí)體零件模型對其作布爾運算，即得到流道水體模型.蝸殼的零件造型比水體更為復雜，而計算所需的僅是水體.
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，對全流場(chǎng)采用適應性較強的非結構網(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)行計算，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，總網(wǎng)格數保持在1.0 x1護以上，其計算性能基本保持穩定.
2. 3求解控制參數及邊界條件
應用Fluent軟件進(jìn)行模擬計算時(shí)，采用標準k二湍流模型封閉控制方程組，利用SIMPLE算法，速度項、湍動(dòng)能項和渦豁系數項采用一階迎風(fēng)差分格式，欠松弛因子取默認值，收斂精度均設置為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(zhù)半徑增大而增大，在外壁處達到最大，沿液流方向，靜壓也會(huì )增大，在擴散段中，壓力達到最大，這是由于蝸殼中液體速度減小，動(dòng)能轉換為壓力能.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(zhù)流量的增大，各方案的靜壓都相應減小，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比，發(fā)現預旋的影響隨著(zhù)流量增大逐漸增大，即在小流量工況，正預旋對靜壓的降低作用很小，隨著(zhù)流量增大，正預旋對靜壓降低作用越來(lái)越大.通過(guò)相同流量下不同方案對比，發(fā)現進(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)明預旋可以降低泵內部的壓力，且預旋越強，壓力降低幅度越大.
3. 2相對速度分析
預旋對葉輪內液體流動(dòng)的影響主要表現在葉輪進(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，葉片背面的相對速度均大于工作面的相對速度，這是由于葉輪內部的相對運動(dòng)是由均勻流與軸向旋渦運動(dòng)疊加作用的結果.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)現象不太明顯.這是由于葉輪按正沖角設計，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(zhù)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，這種現象越明顯.
3. 3圓周分速度分析
葉輪內部某流體質(zhì)點(diǎn)的速度三角形，圖中u為葉輪旋轉所產(chǎn)生的牽連速度，其方向沿著(zhù)該點(diǎn)繞軸線(xiàn)所形成的圓在該點(diǎn)的切線(xiàn)方向;為質(zhì)點(diǎn)的相對速度;:為質(zhì)點(diǎn)的絕對速度，其方向沿流線(xiàn)上該點(diǎn)的切線(xiàn)方向.絕對速度:與牽連速度u的夾角為絕對液流角a，此處規定當絕對速度徑向分量V.向外流動(dòng)時(shí)為正，向內流動(dòng)時(shí)為負;相對速度、與u方向的夾角月為相對液流角.葉輪進(jìn)口前的絕對液流角a是由來(lái)流條件決定的，預旋的大小可通過(guò)絕對液流角來(lái)表征，從速度三角形可以看出，在同一流量下絕對液流角的改變會(huì )引起圓周分速度v、相對速度、及相對液流角月的改變，預旋越強，a越小;若a<0，則說(shuō)明出現了回流.可以通過(guò)觀(guān)察絕對液流角來(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結論
1)預旋可以降低泵內部的靜壓，流量越大，降幅越大;預旋越強，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，沿圓周方向呈現一定周期性，且存在著(zhù)回流域.
3)預旋越強，導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到外呈增大趨勢，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)增加預旋獲得了陡降的H-Q曲線(xiàn)及平坦的P-Q曲線(xiàn)，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)預旋實(shí)現全揚程無(wú)過(guò)載是可行的.
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