1、第27卷第4期2009年7月排灌機械DrainageandIrrigationMachineryVol.27No.4July2009雙吸離心泵徑向力數(shù)值分析趙萬勇,張亮,雒軍(蘭州理工大學流體動力與控制學院,甘肅蘭州730050)摘要:應用CFD軟件對某型雙吸離心泵的內(nèi)部流場進行了數(shù)值計算,給出了不同工況下葉輪出口與蝸殼耦合面靜壓沿周向、軸向的分布規(guī)律.通過對比試驗曲線與數(shù)值計算外特性曲線,發(fā)現(xiàn)兩者比較吻合,相對誤差小于5%,且數(shù)值計算葉輪出口周向壓力分布曲線與試驗曲線趨勢一致.采用徑向力出口壓力法計算模型,計算了各工況下離心泵葉輪所受的徑向力及其分量.結(jié)果而建立的離心泵徑向力計算模型具有一定

2、的準確性.少;設計流量工況附近時,徑向力達到最小值且不為0;,.關(guān)鍵詞:離心泵;徑向力;數(shù)值計算;中圖分類號:TH311-6254(2009)04-0205-05Numeriradialforceindouble2suctioncentrifugalpumpsZhaoWanyong,ZhangLiang,LuoJun(CollegeofFluidPowerandControl,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)Abstract:Numericalcalculationoftheinternalflowfieldina

3、doublesuctioncentrifugalpumpwasper2formedbycommercialCFDsoftware.Thestaticpressuresalongcircumferentialandaxialdirectionsonimpeller2volutecouplingsurfacewerecalculated.Bycomparingtheexperimentalresultswithnumericalcalculations,goodagreementwasobtained,therelativeerrorislessthan5%,andthetendencyofpre

4、s2suredistributionforimpellerexitfromnumericalcalculationisconsistentwiththeexperimentalone.Theradialforceanditscomponentswerecalculatedwiththeoutletpressuremethod.Theresultsshowthattheapplicationofnumericalmodeltocalculatetheradialforceofthecentrifugalpumphascertainaccuracy.Atsmallflowcondition,the

5、radialforcedecreaseswiththeincreaseofflowrate;nearthedesignedflowratecondition,theradialforcereachestheminimum;andatlargeflowcondition,theradialforceincrea2seswiththeflowrate.Keywords:centrifugalpump;radialforce;numericalcalculation;staticpressure;couplingsurface大型單級雙吸中開式離心泵與單吸泵相比,有較大的流量,較好的吸上性能;兩個葉

6、輪對稱布置,可以平衡軸向力;耐氣蝕性能也比較好.但是,在運行中也常出現(xiàn)一些問題.例如泵軸與軸套接觸表面,以及軸套端面等處發(fā)生疲勞破壞;從泵啟動到打開出口閥門,密封環(huán)常發(fā)生抱軸現(xiàn)象;泵體密封環(huán)和葉輪密封環(huán)粘接,必須加大密封環(huán)間隙才能正常啟動,而加大密封環(huán)間隙,就會降低容積效率,影響泵站的經(jīng)濟運行.上述問題在大型泵站中時有發(fā)生,困擾著泵站的安全正常運行.通過分析發(fā)現(xiàn),目前大型離心泵發(fā)生上述問題的主要原因,是單蝸殼泵在偏離設計工況和零流量下運行時,形成的徑向力過大.徑向力對于轉(zhuǎn)動軸來說,是一個交變載荷,會造成泵軸的振動,增加泵的1,2收稿日期:2009-05-24基金項目:甘肅省教育廳基金資助項目(

7、050304)作者簡介:趙萬勇(1962),男,甘肅武威人,教授(gdcj),主要從事流體機械研究.張亮(1983),男,遼寧葫蘆島人,博士生(zhangliang545238),主要從事流體機械可靠性研究.206排灌機械第27卷不穩(wěn)定性.目前,對于大型離心泵徑向力的研究,主要是在使用現(xiàn)場進行試驗或運行驗證,需要建立一套費用昂貴的測試裝置,這樣,不利于泵的改進.因此,數(shù)值研究離心泵徑向力是非常有必要的.用于瞬態(tài)求解徑向力.2內(nèi)部流場的模擬本研究對某大型雙吸離心泵作數(shù)值模擬計算.該泵參數(shù)為:葉輪進口直徑730mm,出口直徑11503mm,流量3m/s,揚程56m,轉(zhuǎn)速600r/min,葉輪出口寬

8、度224mm,葉片數(shù)6片,蝸室基圓直徑1115mm.數(shù)值模擬的對象為葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布.計算區(qū)域分為兩個部分:葉輪和蝸殼.2.1控制方程1徑向力計算模型的建立1.1模型的簡化本研究作了如下簡化,認為徑向力是葉輪出口壓力對葉輪的徑向作用力,而忽略了粘性力的影響.3由于與粘性力相比,壓力占有較大份額.此種方4法稱為出口壓力法.1.2模型的建立應用計算流體力學軟件,對離心泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,壓分布.離散值,可以認為作用在.先求解耦合面上每一個節(jié)點上受到的作用力,然后通過力的分解合成定理,分別計算在y向和z向的作用力,最后求得總的4-6作用力的大小和方向.公式如下:Fi=p使用雷諾時均

9、N-Si(0i7:(5)()iuiuj=-+jxixxj(6)式中Rij為雷諾應力張量,即iSij-Rij=-uiuj=2ktkij-ij35xk3(7)Sij=R2B22Ni+25xj5(8)(1)2.2湍流模型FLUENT軟件中提供的幾種湍流模型中,標準k-模型是最完整的湍流模型,它適用范圍廣,并式中Fi為包含第i個網(wǎng)格節(jié)點微小區(qū)域的壓力;pi為第i個網(wǎng)格節(jié)點的壓強;R2為葉輪出口半徑;B2為葉輪出口寬度;N為葉輪出口與蝸殼耦合面節(jié)點個數(shù).包含第i個網(wǎng)格節(jié)點微小區(qū)域的壓力在y軸和z軸方向上的分量為Fi=-Fy具有經(jīng)濟、合理的精度.因此,本研究在模擬離心泵輸送清水介質(zhì)的內(nèi)部流場時,選用標準k

10、-模型.2.3幾何造型與網(wǎng)格的離散化離心泵內(nèi)部流動區(qū)域選用UG造型,用Gambit軟件對模型進行網(wǎng)格劃分及部分邊界條件的設定;采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,分別劃分葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)和蝸殼區(qū).劃分情況見圖1.y,Fi=-Fzz(2)式中xi,yi,zi為第i個網(wǎng)格節(jié)點的三維坐標.徑向力在y軸和z軸方向的分量:Fy=6NF,Fz=yii=16NFiz(3)i=1徑向力的大小F=Fy+Fz(4)Fz.徑向力與y軸方向的夾角=將各個工況下數(shù)值模擬的葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布,分別導入到Excel中,根據(jù)上述徑向力的計算公式,在Excel中編寫公式,可以計算出各個工況下徑向力在y,z向分量的大小和總徑向力的大小和

11、方向.此方法既適用于穩(wěn)態(tài)求解徑向力,又適圖1計算網(wǎng)格模型Fig.1CalculationGridmodel第4期趙萬勇等:雙吸離心泵徑向力數(shù)值分析2072.4邊界條件6為同截面3個流量下,葉輪出口的靜壓周向分布,針對含有運動固體邊界的流動問題,選用多重參考坐標系.其基本思想是,將離心泵流場簡化為旋轉(zhuǎn)葉輪固定在某一位置時的瞬時流場,其計算結(jié)果僅代表當前葉輪與泵體所處相對位置時的流動狀況.設葉輪區(qū)域為運動坐標系,蝸殼區(qū)域為固定坐標系,邊界條件如下:1)進口邊界條件.在本研究中,選用速度進口,假定葉輪進口是均勻進流,忽略圓周速度.由于知道進口流量,可以求出葉輪進口軸向均勻速度.2)出口邊界條件.出口

12、邊界條件的計算,是根據(jù)質(zhì)量守衡定律,一般可根據(jù)所給流量和出口直徑,計算出口邊界的平均速度大小.但是,出口邊界處的流動已充分發(fā)展,出口區(qū)域遠離回流區(qū)域,且出口邊,流道的擴散,難的,故選用出流.3)壁面條件.,速度滿足無滑移條件.對于固壁附近流動,采用標準壁面函數(shù)法確定.2.5模型計算數(shù)值模擬計算模型選取的工作介質(zhì)為清水,選用標準k-湍流模型;連續(xù)性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散方程,均采用二階迎風格式離散計算;壓力和速度的耦合方式選用壓力速度修正方法,即SIMPLEC算法.情況與文獻8中相同流量下的試驗曲線在趨勢上吻合.圖中,橫坐標為在蝸殼平面圖上沿液流方向距隔舌的角度,縱坐標為周向靜壓

13、pj.H.2Q圖3葉輪截面示意Fig.3Impellercross2sectiondiagram3模擬結(jié)果分析與徑向力計算由模擬結(jié)果可以計算出泵出口與進口的總壓差,則泵的數(shù)值模擬揚程:H=p出-p進g+Z(9)式中H的單位為m;Z為泵進出口位置差,m.此泵為臥式中開式雙吸離心泵,進出口在同一高度,Z=0.圖2中給出了流量揚程的數(shù)值模擬曲線與蘭州水泵廠的試驗曲線.對比試驗曲線與數(shù)值模擬曲線,其趨勢基本一致,相對誤差小于5%.由此可見,本研究的數(shù)值模擬方法及結(jié)果,對模擬離心泵三維湍流流場、分析葉輪周圍所受徑向力的狀況是可行的.3.1離心泵內(nèi)部流場的分析由于雙吸泵葉輪具有對稱性,圖3中只選擇x0的截

14、面來說明,x方向為葉輪的軸向.圖4圖圖4x=112截面葉輪出口不同流量下的靜壓分布Fig.4Staticpressuredistributionofx=112cross2sectionofimpellerexportondifferentflow圖5x=67.7截面葉輪出口不同流量下的靜壓分布Fig.5Staticpressuredistributionofx=67.7cross2sectionofimpellerexportondifferentflow208排灌機械第27卷面靜壓波動明顯,這說明在隔舌附近,流動變化比較劇烈,存在沖擊和回流,而且壁面有邊界層分離現(xiàn)象.這是由于隔舌附近的出口水

15、流與隔舌相互作用,進口水流與出口水流的相互影響,導致了隔舌處的流動比較復雜.在距離隔舌90°,180°和270°等的3個軸面上,靜壓沿葉輪出口寬度方向上的分布比較均勻,這說明在葉輪出口寬度方向上的流動比較均勻.隨著流量的增加,葉輪出口對應位置的靜壓值逐漸減小.圖6x=0截面葉輪出口不同流量下的靜壓分布Fig.6Staticpressuredistributionofx=0cross2sectionofimpellerexportondifferentflow小流量工況時,隔舌附近靜壓突變明顯,壓力梯度相對較大.隔舌附近的靜壓值低于沿葉輪出口周向其他部位的靜壓值.葉

16、輪出口周向靜壓自隔舌開始向擴散管進口不斷增加.設計工況流量時,流量工況時更均勻;.大流量工況時,隔舌附近的靜壓突變明顯,壓力梯度較大.隔舌附近的靜壓值高于沿葉輪出口周向其他部位的靜壓值.葉輪出口對應位置的靜壓值小于設計工況流量時;葉輪出口周向靜壓自隔舌開始向擴散管進口是逐漸降低的.隔舌部位的靜壓突變,是由于此處的回流和沖擊引起的.圖中靜壓都出現(xiàn)了6個周期性的波動,每個波動相隔60°.這是由于運動參考坐標系(MRF法)的基本思想,是將離心泵流場簡化成旋轉(zhuǎn)葉輪固定在某一位置的瞬時流場,在每個瞬時,波動區(qū)域與葉片所在區(qū)域重合.葉輪出口靜壓分布波動,是由于葉輪出口葉片邊緣尾跡流造成的.隨著葉

17、輪的旋轉(zhuǎn),波動區(qū)域也隨之移動,在每一瞬時,葉輪出口壓力分布都將發(fā)生變化,但整體的趨勢是一致的,只是波動區(qū)域的移動.小流量工況時,出現(xiàn)較小的靜壓波動.設計工況流量時,葉輪出口處的靜壓波動,較小流量工況時變大,這說明葉片邊緣的尾跡流區(qū)域大于小流量工況時的.大流量工況時,葉輪出口處靜壓波動,較設計工況流量時更為明顯,這說明葉片邊緣的尾跡流較設計工況流量時更為嚴重.圖7圖10為單蝸殼離心泵在不同流量下距隔舌不同角度的葉輪出口靜壓的軸面分布.圖中,橫坐標為葉輪出口寬度方向上距雙吸葉輪軸面對稱線的距離L,縱坐標為軸向靜壓pj.在隔舌附近時,軸圖7不同流量下隔舌處葉輪出口靜壓的軸面分布Fig.7Axials

18、taticpressuredistributionofimpellerexportattongueondifferentflow圖8同流量下距隔舌90°角處葉輪出口靜壓的軸面分布Fig.8Axialstaticpressuredistributionofimpellerexportfromtongue90°cornerondifferentflow圖9不同流量下距隔舌180°角處葉輪出口靜壓的軸面分布Fig.9Axialstaticpressuredistributionofimpellerexportfromtongue180°cornerondiff

19、erentflow3.2離心泵徑向力的數(shù)值計算在CFD軟件中,將離心泵葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布數(shù)據(jù)導出并進行后處理.將導出的文件以Excel方式打開,在Excel中,應用上述公式進行計算.葉輪出口半徑R2=0.575m,葉輪出口寬度第4期趙萬勇等:雙吸離心泵徑向力數(shù)值分析209B2=0.224m,葉輪出口與蝸殼耦合面網(wǎng)格節(jié)點的個數(shù)N=1474.通過上述公式計算的徑向力及其分量3見表1所示,表中Qn=3m/s為設計工況的流量.3)小流量工況時,徑向力隨流量增加而減小;設計流量工況附近時,徑向力達到最小值且不為0;大流量工況時,徑向力隨流量的增加而增加.參考文獻(References)1趙萬

20、勇.大型離心泵的結(jié)構(gòu)與運行J.中國給水排水,2001,17(7):58-61.ZhaoWanyong.Thestructureandoperationoflarge2ChinaWaterandscalecentrifugalpumpJ.Wastewater,2001,17(7):58-61.(inChinese)2趙萬勇.離心泵結(jié)構(gòu)對大中型電動機竄軸的影響圖10不同流量下距隔舌270°處葉輪出口靜壓的軸面分布Fig.10Axialstaticpressuredistributionofimpellerexportfromtongue270°cornerondifferent

21、flow表1徑向力數(shù)值計算值Tab.1Numericalcalculationofvalueofradial工況點J.排灌機械,2001,20(1):-26.Zhaoanyong.Ipumpconfigura2ti2andmiddle2sizedJ.andIrrigationMachinery,):23-26.(inChinese)黃思,王國玉.離心泵內(nèi)流場非對稱性及受力的三/N34769.7023480.9012520.002703.5311266.3018105.50維數(shù)值分析J.農(nóng)業(yè)機械學報,2006,37(10):66-69.HuangSi,Wangguoyu.Analysisoffl

22、owfieldasymme2tryandforceoncentrifugalpumpby3-DnumericalsimulationJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2006,37(10):66-69.(in0.4Qn0.6Qn0.8QnQn-33-2221-12371.615.3311028.4317981.05-52-7412.46-1921.822703.522303.09-2119.221.2Qn1.4QnChinese)4張亮.大型雙吸離心泵徑向力數(shù)值計算D.蘭州:在設計工況下,徑向力并不為0.原因是由于泵體的非對稱結(jié)構(gòu),導致泵葉輪各流道的流量、流速及葉輪出口的壓力分布出現(xiàn)非對稱性而引起的.在小流量工況時,徑向力隨流量的增加而減少;在設計流量工況附近,徑向力達到最小值;在大流量工況時,徑向力隨流量的增加而增加