進口加速泵空化性能的數值模擬

泵性能通常包括流量、功率、軸功率、效率和空余率等參數。軸功率可以通過流量、功率和效率等參數來計算。由泵葉片型線方程可知,葉片安放角變化規律對泵性能影響很大,因此研究葉片安放角變化規律對泵性能的改善具有重要意義。通常離心泵設計時葉片進口角取略大于液流角,一般采用正的沖角能減小葉片彎曲,從而增加葉片進口過流面積和減小葉片排擠。近年來,隨著CFD技術的迅速發展,數值模擬技術已成為研究泵內部流動規律和預測泵性能的一種重要手段。鑒此,本文以型號DFG150-9離心泵葉輪水力模型為例,采用CFD技術通過添加不同葉片進口沖角并進行模擬分析,研究了葉片進口安放角對離心泵性能的影響,為水泵設計時選取合理葉片進口安放角提供了有益參考。1水流模型和網格的劃分(1)葉輪幾何參數為獲得較好的研究結果,本文選取型號為DFG150-9離心泵葉輪水力模型進行研究。離心泵性能參數為:流量Q=200m3/h、揚程H=32m、空化余量NPSHr=4.5m。葉輪幾何參數為:葉輪出口直徑D2=322mm、葉輪出口寬度b2=22mm、葉輪進口直徑Dj=148mm、葉片數Z=6、進口沖角Δβ1b=0.6°。為全面研究進口安放角對泵性能的影響,本文在原葉片中間流線安放角基礎上添加了正負沖角。沖角添加值見表1。(2)網格無關性檢驗該模型泵過流部件分為吸水室、葉輪和蝸殼三部分。采用三維造型軟件Pro/E對泵過流部件計算域進行三維造型。為避免進出口速度梯度較大而影響計算結果,在吸水室進口和蝸殼出口增加延長段。利用網格劃分軟件AnasysICEM,并采用四面體非結構網格對泵過流部件進行網格劃分。對整體區域進行網格無關性檢驗,當揚程相關性低于0.5%時網格數對計算結果無影響。泵吸水室、葉輪和蝸殼網格數分別為331250、792350、382890個,網格劃分結果見圖1。2空化兩相流動初始值AnsysCFX采用RNGκ-ε模型考慮湍流影響,采用均質多相模型和Rayleigh-Plesset方程考慮空泡生長和潰滅,進而空化模擬。為提高空化計算收斂速度,以未發生空化單相計算結果作為空化兩相流動初始值。泵內空化產生通過逐步降低泵進口總壓實現,質量流量出口保證泵運行時流量不變。固壁處采用無滑移,近壁區采用Scalable壁面函數。空化計算時設定進口空泡體積初始值為0,水的體積值為1。3葉片螺紋固定角影響著離心部門的性能3.1效率、開口和出口角度的比率3.1.1效率曲線分析6組模型泵效率曲線比較分析泵空化余量計算公式為:NPSH=v2002/(2g)+λw2002/(2g)(1)式中,v0、w0分別為葉片進口稍前處的絕對速度、相對速度;g為重力加速度;λ為葉輪進口壓降系數。圖2為6組模型泵效率比較曲線(本文所述效率為泵的水力效率)。由圖可看出:①模型2、3、4在大流量區域,效率由大到小依次為模型2、3、4,表明在此范圍內葉輪所加正沖角越大,大流量區效率越高;小流量區域情況正好相反,表明在此范圍內進口所加正沖角越大,小流量區效率越低。其原因在于增加正沖角使葉片進口流道加寬,排擠現象減輕,流道變得較為平緩,降低了進口流速,減小了泵水力損失,同時效率曲線向大流量方向偏移。②模型5、6與模型2、3、4相比效率下降很多;小流量區,模型5效率隨流量減小而逐漸靠近所加正沖角模型;大流量區,隨流量增加而逐漸遠離所加正沖角模型,此種現象在模型6上表現突出,效率最多相差5%。其原因在于添加負沖角使葉片進口流道變窄,排擠現象加重,進口流速增大,水力損失增加,同時效率曲線向小流量方向偏移。當葉輪進出口面積比F出/F進遠大于1.3時,葉輪流道擴散嚴重,易產生漩渦造成效率急劇下降(如模型6)。③模型1效率曲線不再遵循模型2、3、4加正沖角所呈現規律,整條曲線基本在模型2、3、4下方。其原因在于當△β≥20°時,λ急劇上升(圖3),由式(1)可得,空化余量增加很快,泵抗空化性能急劇惡化,從而使泵效率下降很大。3.1.2進口放養角對揚程的影響6組模型泵揚程曲線比較分析圖4為6組模型泵揚程比較曲線。由圖可看出,大流量區加正沖角模型揚程基本重合,隨添加負沖角幅度增加,揚程下降越來越大,最大相差1m。小流量區隨進口安放角增大,揚程降低。沖角由負變正,揚程曲線由陡峭變平坦。模型1基本遵循上述規律。其原因在于小流量區隨進口安放角減小,α1(葉片進口絕對速度與圓周速度的夾角)方向保持不變,則Vm1減小到虛線V′m1,Vu1隨之減小到V′u1(圖5)。大流量區,由于液體受到葉片排擠,水力損失增加,不但效率下降,揚程也隨之下降。泵基本方程為:Ht=(u2Vu2-u1Vu1)/g(2)式中,u1、u2分別為葉片進、出口的圓周速度;Vu1、Vu2分別為葉片進、出口的絕對速度圓周分量。由式(2)可知,泵理論揚程增加。3.2空化性能與進口傾斜角度之比3.2.1小流量區試驗與計算為驗證空化模擬所得結果的準確性,選取模型4試驗所得數據與數值結果進行比較,見圖6。由圖可看出,小流量區試驗值略大于計算值,但相差不明顯;大流量區試驗值小于計算值,最大誤差為6%。誤差產生的原因可能是由邊界條件設置與實際情況誤差、計算誤差及泵在鑄造和機械加工等因素作用產生的誤差所致。3.2.2模型葉片空化NPSH=2.7m時各模型蓋板及葉片表面空泡分布為了研究葉片進口安放角對泵空化性能影響,取NPSH=2.7m時各模型蓋板及葉片表面空泡分布進行分析,圖7為各模型蓋板及葉片表面空泡分布。由圖可看出,在相同NPSH條件下,隨沖角由正變負,空泡在葉輪中逐漸由進口邊向流道中部延伸,模型2到3,灰色區域和白色區域面積均增大,模型3到4,灰色區域由一個變為兩個,空泡區域變窄;模型4到5,空泡區域變寬,流道中部灰色區域變小;模型5到6,由于負沖角非常大,造成葉輪流道對流體排擠嚴重,空泡迅速占領流道60%面積,此時空化發生嚴重,極易造成液體斷流,性能下降,產生噪聲和振動,使泵運行在惡劣環境下。模型1空泡區域與模型2面積相當,只是分布區域有所不同,說明當正沖角添加到一定程度,泵抗空化性能并非繼續增加。3.2.3空化使葉低壓區本文僅選取模型4發生空化后流線分布和壓力分布與圖7中模型4空泡分布進行對比分析,圖8為空化對壓力和流線分布影響。由圖可看出:①空化使葉輪流道出現大小不等低壓區,而該低壓區恰好處于空泡出現區域后面(圖7(d)),該區域很可能是空泡到達高壓區潰滅,而液體質點以高速填充空穴而引起壓降形成的低壓區。②空泡區域和低壓區域均無流線通過,若該現象繼續加劇,則會出現液體斷流等惡劣現象。其他模型情況與之相似,不再一一贅述。3.2.4沖角值對泵抗空化性能的影響NPSHr-Δβ1b曲線圖9為各模型在設計工況下得到的NPSHr-Δβ1b曲線。取揚程下降3%時所對應NPSH為泵必需空化余量NPSHr。由圖9可看出:①沖角值在-10°～20°范圍內,隨葉片進口安放角增加,NPSHr先減少后增加;②沖角值在-10°～0°范圍內,NPSHr由2.78m變化到2.69m,降幅較大,說明添加負沖角會加速泵抗空化性能惡化;③沖角值在0°～15°范圍內,NPSHr變化較為緩慢,由2.69m變化到2.66m,說明添加此范圍沖角對泵空化性能影響不明顯;當沖角值在15°～20°范圍內,NPSHr迅速增加,說明當正沖角添加到一定程度時,不但未提高泵抗空化性能,反而加速其惡化。上述現象