径向问隙及叶片型线对液环泵性能影响的分析.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 8期 流体机械 2 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 8 0 0 2 1 0 5 径向问隙及叶片型线对液环泵性能影响的分析 张人会 一 严龙钢 杨军虎 李仁年 1 兰州理工大学 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 2 甘肃省流体机械及系统重点实验室 甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 采用欧拉气液两相流动模型对液环真空泵内部三维非稳态气液两相流动进行数值模拟 通过数值模拟研究叶 轮与壳体间的径向间隙及叶片型线对液环泵性能的影响 分析了液环泵内液相能量转换的规律 分析了前弯 后弯及直 叶片不同叶片型线液环泵性能曲线 分析了叶轮径向间隙对液环泵性能的影响 数值模拟结果表明后弯叶片 径向直叶 片和前弯叶片下液环泵的极限真空度和最大流量依次递增 随着叶轮径向间隙的减小 液环泵的极限真空度和最大流量 逐渐增大 为液环泵的性能优化研究提供了理论依据 关键词 液环泵 气液两相流 欧拉模型 径向间隙 叶片型线 中图分 类号 T H 3 1 1 文献标志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 8 0 0 5 I nflue nce o f t h e Ra dia l Gap a nd Bl a de Pr o fi l e on t he Pe r f or m a n ce o f t h e Liq uid r i ng Pump Z HA NG Re n h u i Y AN L o n g g a n g YANG J u n h u L I R e n n ia n 1 S ch o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g in e e r i n g L a n z h o u U n i v e r s it y o f t e ch n o l o gy L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h i n a 2 K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d Ma ch i n e ry a n d S y s t e ms G a n s u P r o v in ce L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h in a Ab s t r a ct T h e t h r e e d ime n s io n a l t r a n s ie n t g a s l iq u id f l o w in l iq u id ri n g p u mp wa s s imu l a t e d u s in g Eu l e r ia n me t h o d T h e imp a ct o f r a d ia l g a p a n d b l a d e p r o fi l e o n t h e p e rf o r ma n ce o f t h e l iq u id r in g p u mp w a s in v e s t ig a t e d b y n u me r ica l s imu l a t io n T h e e n e r gy t r a n s f e r l a w o f l iq u id in l iq u id ri n g p u mp w a s a n a l y z e d T h e p e rfo r ma n ce C u I T e s o f l iq u id ri n g p u mp w it h f o r w a r d cu r v e d s t r a ig h t a n d b a c k w a r d cu r v e d b l a d e p r o fi l e w e r e co mp a r e d T h e p e rf o r ma n ce cu rve s o f d i f f e r e n t r a d i a l g a p we r e co mp a r e d T h e n u me ri ca l r e s u l t s s h o w t h a t t h e u l t ima t e v a cu u m a n d ma x imu m f l o w r a t e o f l iq u id r in g p u mp wit h b a ck wa r d cu r v e d s t r a ig h t a n d f o r wa r d cu r v e d b l a d e p r o fi l e in cr e a s e s u cce s s iv e l y t h e u l t ima t e v a cu u m a n d maximu m fl o w r a t e in cr e a s e g r a d u a l l y wit h t h e in cr e a s e o f r a d ia l g a p wh ich p a v e d t h e w a y f o r h y d r a u l ic o p t imiz a t io n o f l iq u id r in g p u mp Ke y wo r d s l iq u id ri n g p u mp g a s l iq u id fl o w e u l e r ia n me t h o d r a d ia l g a p b l a d e p r o fi l e 1 前言 液环泵是一种用来抽送气体的流体机械 工 作过程 中其 内部流动为具有 自由分界面的气液两 相流 泵内的液体工作介质起密封 传递能量和冷 却等作用 由于其具有流量大 结构简单 等温压 缩等优点 被广泛应用于化工 煤矿 造纸 制药及 冶炼等行业 1 J 由于应用环 境 的苛刻 性和 内流 动的复杂性导致液环泵存在效率低 叶片容易出 现裂纹及断裂 高真空场合运行 易发生空蚀等问 题 2 J 近年来 由于液环泵的应用领域越来越广 泛 其内部复杂流动及性能的优化研究逐渐得到 国内外学者的关注 R a i z ma m等采用压力探针测 量液环泵内液环 的压力分布 并对液环 的速度场 进行分析 J K a k u d a等运用移动粒 子半 隐式方 法 MP S 及基于 G P U粒子方法分别对液环泵内 流动进行二维和三维数值计算 分析泵 内速度 水 环形状等 与实验结果相 吻合 张人会等通 过 C F D数值模拟与实验相结合 的方法 对液环泵 内复杂的二次流结构 自由分界面形状变化规律 及其 与泵外特性间的关 系进行深入分析 J 钟红 华等 任德高等分别采用近似方法及实验的方法 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 0 8 修稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 9 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 1 0 9 1 0 4 5 1 4 6 9 0 1 4 十二五 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 3 B A F 0 1 B 0 2 甘肃省高校基 本科研业务费专项及兰州理工大学优秀青年教师计划投资项 目 22 FLUI D MACHI NERY Vo 1 43 No 8 2 01 5 分析径向间隙对液环泵性能的影 响 一 对液环 泵内气液两相流动及其性能的优化分析 根本在 于分析液环泵的内流道几何参数对内流动及其性 能的影响 叶片型线及叶轮与壳体问的径 向间隙 是影响液环泵性能的关键几何参数 前期 虽然 相关研究者对于液环泵内流动及其性能的研究做 了一定的基础工作 但是对 叶片型线及不 同径 向 间隙下的内流动及对其外特性影响机理分析不 够 本文采用数值方法对 S Z B 8型液环泵内流动 进行数值模拟 分析泵内能量转换的规律 以及不 同叶型 不 同径 向间隙下泵 内流动及其对外特性 的影响 为液环泵 内流动的优化提供理论依据 2 计算模型 2 1数 学模 型 液环真空泵 内部流动为具有 自由分界面的气 液两相流动 常见的气液两相流模型有均相流模 型 分相流模型 漂移流模型和双流体模型 9 张人会等分别采用 V O F两相流模型和欧拉模型 对液环泵 内部复杂气液两 相流动进行 了数值模 拟 2种模型都能较好反映泵 内真实流动l 6 对比2种模 型 V O F模型计算 简便 能够有效 地 捕捉 自由交界面 但计算时需要非常低 的库朗数 易导致训 算结果不稳定 欧拉模型对 自由界面的 捕捉不如 V O F模型 但其求解稳定性优于 V O F 本研究采用欧拉气液两相流 的双流体模 型 两相介质分别假设为连续介质 气液两相 的流动 参数在交界面上发生间断 交界 面上气相和液相 间发生质量 动量和能量传递 对气相和液相分别 求解质量 动量方程 由于水 的冷却作用 短时间 内两相介质温度变化可忽略 引 2 2数 值 方法 本研究采用 R A N S 方程方法求解液环泵 内非 稳态流动 气液两相流模型采用欧拉双流体模型 采用 R N G K一 湍流模型 采用商用软件 F L U E N T 1 4 5对轴 向吸排气 的 S Z B型液环泵 内气液 两相流进行计算 液环泵 内流道几何模型包括 叶 轮 泵壳体 吸人段 压出段 如图 1 所示 采用 I C E M软件对流道进行 网格划分 整个 网格 区域 均匀过渡 计算 区域全部均采用六面体结构网格 经过 网格无关性验证 计算 区域 的网格单元 总数 采 用 1 6 0万 出 i 体 图 1 液环泵计算 区域 2 3 边界 条件 液环泵内流动存在较强 的非稳态特性 采用 非稳态模型 选取时间步长为 1 1 0 一S 进 口采 用压力进 口边界条件 出口采用压力 出口边界 条 件 壁面采用无滑移壁面条件 在近壁区域采用 标准壁面函数 采用滑移网格技术处理定子与转 子之间的关系 数值计算 中所使用的液环真空泵工况及流体 的物性参数见表 1 表 1 液环泵的工况参数 及介质参数 进口真空度 出口压力 泵的转速 水温 空气温度 P P a P P a r mi n 0 P 极限真空 1 0 l 3 2 5 1 4 5 0 2 0 2 0 2 4 液 环 泵数 值模 拟 结果与 试验 结果 对 比分析 采用上述数值方法 对 图 1所示 S Z B一8型 液环泵内流动进行计算 图 2为数值计算 中进 口 真空度为 O P a 7 5 0 0 0 P a下前弯叶片液环泵进 口质 量流量的变化规律 迭代 2 0 0 0步以后质量流量趋 于稳定 在零真空度下 的最大质量流量 Q 近似 为 0 0 1 0 1 k g s 趋近于极限真空度 7 5 0 0 0 P a下 的 质量 流 量 Q 0 0 0 0 2 k g s 约 为最 大 流量 的 2 趋于零 S Z B一 8型液环泵试验结果显示液 环泵的最 大流量 为 0 O 1 0 2 1 k g s 极 限真 空度为 7 2 0 4 4 P a 试验与数值模拟结果相吻合 o 一 媛 B 蜓 图 2 泵的进 口质置 流量 随迭代次数变化曲线 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 3 No 8 2 01 5 高真空度的目的 直叶片叶轮和后弯叶片叶轮工 作时流体流出叶轮时获得的动能要小于前弯叶片 型线叶轮 不利于对抽送介质的压缩 因此液环泵 叶轮通常采用前弯叶片设计 O a 前弯叶片 h 直叶片 后弯叶片 图7 3种叶片型线液环泵计算网格 言 蛔 蛔 世 0 4 8 进 口真空度 1 0 P a 图 8 不 同叶片型线 液环泵质量 流量曲线 4 不同径 向间隙液环泵性能分析 由于液环泵叶轮偏心的安装在泵壳 内 叶轮 与壳体问存在最小间隙 通常取径向间隙f 0 5 4 mm S Z B一8液环泵设 计径 向间 隙f 0 7 5 l n ln 为研究径向间隙对液环泵性能的影响 另外 分别取较小径 向间隙f 0 5 m m和较大径 向间隙 厂 1 5 m m进行分析 对 3种径向间隙下液环泵 内流动进行数值分析 得到前弯叶片 3种径 向间 隙下的液环泵质量流量 一 真空度曲线如图9所示 O 4 8 进 口真空 度f 1 0 P a 图 9 不同径向间隙下前弯叶片液环泵质量流量曲线 由图9可以看出最大流量及极限真空度均随 着间隙的减小而增大 同一真空度下液环泵质量 流量随着问隙的减小而增大 对 图 7所示 3种叶片液环泵进行计 算 对 比 径向间隙对轴功率的影 响 图 1 0为前弯叶片在 厂 0 5 m m 厂 0 7 5 ra m及f 1 5 ram间隙下 的泵 轴功率随进 口真空度变化 曲线 由图可以看出随 着间隙的增大 泵的功率曲线整体 向下平移 轴功 率减小 一 一 瓣 撂 0 0 4 8 进 n真空度f 1 0 P a 图 1 0 前弯 叶片不 同径 向间隙下液环 泵轴 功率 曲线 对不同径 向间隙下液环泵的流量一 真空度性 能曲线 轴功率一 真空度曲线对 比分析可知径向问 隙对泵 的外特性有较大 的影响 随着间隙的减小 其最大真空度 最大流量及轴功率均呈增大趋势 对于其 间隙内复杂流动特征的描述将在后续研究 工作中继续进行 5 结论 1 由流动模拟得到叶轮轴垂面上液体在泵 壳体内近似呈圆环状 气液交界面呈不规则锯齿 状 泵腔内的压力由吸气区到排气区逐渐增大 轴 面上相态及压力 分布沿轴 向变化不大 2 对不同叶片形式的液环泵性能进行对比 分析 发现后弯叶片 径 向直叶片 前 弯叶片液环 泵的极限真空度和最大流量依次递增 前弯叶片 液环泵在 同一真空度下质量流最最大 前弯叶片 可使液体获得更大的动能 有利 于对气体的抽送 和压 缩 3 液环泵的径 向间隙对泵 的外特性有较大 的影响 随着问隙的减小其最大真空度 最大流量 及轴功率增大明显 参考文献 1 高芳 关 于液环 泵结构参数 的理论与仿真研究 D 大庆 大庆石 油学 院 2 0 0 6 2 谢杨华 水 环 真空泵参 数化 设计 与 C A D系统 开 发 2 0 1 5年第 4 3卷第 8期 流体机械 2 5 上接第 4 7页 3 6 K o j im a E S h i n d a M D e v e l o p o f a n a c t i v e a t t e n u a t o r f o r p r e s s u r e p u l s a t i o n i n l i q u i d p ip i n g s y s t e m J J S ME I n t e r n a t io n a l J o u rna l S e ri e s I I 1 9 9 1 3 4 4 4 6 6 5 7 3 3 7 E d g e K A L i u Y R e d u c t io n o f P i s t o n P u m p P r e s s u r e R i p p l e C F l u id P o w e r a n d Mo t io n C o n t r o l P r o c o f t h e 2 t h c o n f e r e n c e 1 9 8 9 3 8 J o h a n s s o n A o l v a n s e r J P a l mb e r g J O E x p e ri m e n t v e r ifi c a t io n o f c r o s s a ng e l f o r n o is e r e d uc t io n in hy d r a u l ic p is t o n p u m p s C P r o c I Me c h E P a r t I J S y s t e ms a n d Co n t r o l Eng in e e ri ng 2 0 07 2 21 3 21 3 3 0 3 9 M a n r i n g N D Z h i l i n D o n g T h e I m p a c t o f U s i n g a S e c o n d a r y S w a s h P l a t e An g e l W it h in a n Ax ia l P is t o n Pum p J J o u rna l o f D y n a mi c S y s t e m M e a s u r e m e n t a nd Co nt r o l Tr a ns a c t io n of t he ASME Ma r 2 0 0 4 1 2 6 6 5 7 4 4 O E ric s o n L Me a s u r e me n t s y s t e m for h y d r o s t a t ic p u m p fl o w p u l s a t i o n s D S w e d e n L in k o p i n g s U n iv e r s i t y 20 05 4 1 G a n e s h K u m a r S E E N I R A J Mo n ik a I V A N T Y S Y N O V A No is e Re d u c t io n in Ax ia l P is t o n Ma c h in e S B a s e d o n M u l