双吸离心泵的性能分析及优化VIP

双吸离心泵的性能分析及优化 杨军虎 王玥 郭斌 张云周 孟瑞峰 兰州理工大学能源与动力工程学院 兰州 730050 摘要 针对国内某厂设计生产的某型双吸离心泵距其国外同型产品性能差距较大的情况 采用 CFD 软件对其内部流场进行数值模拟和流场分析 并根据传统一元理论对叶轮进行设计检查 综 合分析该泵性能较差的原因 在不改变原设计的基础上提出切割叶片进口边的改进方案 以提高大 流量下该泵的扬程和效率 对改进泵进行全流道的数值模拟和性能预测 并与改进前该泵的模拟情 况相比 最高效率点的水力效率提高 5 61 高效点向大流量方向偏移 基本达到了优化的目的 该改进措施是有效的 本文表明 数值模拟和理论相结合的方法 能够更加有效并可靠的实现泵的 优化设计 关键词 双吸泵 CFD 一元理论 优化 中图分类号 TH311 文献标识码 A 文章编号 编辑部制作 Performance Analysis of the Double suction Pump and its Optimization Yang Jun hu Wang Y ue Guo Bin Zhang Y un zhou Meng Rui feng Department of Energy and Power Engineering Lanzhou University of Technology Lanzhou 730050 China Abstract Internal flow field numerical simulation by CFD and analysis of flow field and verify design on impeller by one dimensional theory as well is carried out for performances have great differences between the double suction pump and its model Comprehensive analysis for deviation reasons proposed trimming the inlet of the blade in order to enlarge the effective import area and decrease the vortex improve the head and efficiency in higher flow Compared the calculation results of amended pump and its prototype numerical simulation results show that the hydraulic efficiency is improved by 5 61 The measure is valid Combined with the numerical simulation and theory method can be more effective and reliable to realization the optimization of pumps Key words Double suction pump CFD One dimensional Optimization 附 由于某型双吸泵的性能距其国外同型产品的差距较大 于是利用 CFD 软件对其内部流场进行了数值模 拟和流场分析 同时用传统一元理论进行了设计检查 综合分析使之性能较差的原因 为了扩大有效进口面 积和减小旋流 提出切割叶片进口边 以提高大流量下该泵的扬程和效率的方案 对比改进泵和原型泵之间 的计算结果 水力效率提高了 5 61 该方案是有效的 数值模拟和理论的方法相结合 可以更加有效和可 靠地实现泵的优化 收稿日期 2010 01 01 修回日期 2010 06 06 评审通过修改时填写 十一五 国家科技支撑计划 2008BAF34B10 浙江省科技计划项目 2009C31145 作者简介 杨军虎 教授 主要从事流体机械力学特性及设计理论方面的研究 E mail lzyangjh 引言 双吸离心泵是泵类产品中数量多 用途广 泛的一种产品 它以单机流量大 扬程高 相 同比转速的条件下效率高于单吸泵 结构简单 等特点 在各个领域得到普遍应用 由于双吸 泵一般所配的功率较大 因此 实际应用中泵 的效率指标显得尤为重要 而国内目前所生产 的双吸泵效率普遍不太高 产品的技术水平与 国外产品有较大差距 实际运行效率较发达国 家低十个百分点左右 1 为此 有必要对国产双 吸泵进行研究和技术改造 以改善其水力性能 近年来为了提高单级双吸泵的效率 国内 很多学者从泵的各种性能参数方面 泵体形式 方面 以及二者的配合情况都做了大量相应的 研究 程云章 骆宾海 1 等 对型号为 0SH 9B 的双吸离心泵进行优化设计改造 将叶片为全 三元扭曲叶片 蜗壳尺寸不变 叶轮的安装尺 寸不变 泵的实际运行效率由改造前的 63 2 提高到 73 3 并应用 CFD 商用软件 FLUENT 对双吸离心泵改造前后内流场进行三维湍流数 值模拟 分别从压力分布 速度矢量分布 数 值效率等几个方面 对改造前后的双吸离心泵 性能进行了评价 模拟结果与现场实测数据相 比较 基本相符 说明应用 FLUENT 进行数值 模拟具有一定准确性和可行性 何希杰 黄毓 文 2 研究了离心泵在转速相同的条件下性能参 数和叶轮几何参数对效率综合影响及其排列顺 序 并提出了用这些参数估算效率的一种多元 回归方法 突破单个因素对泵效率影响的传统 研究模式 认为在离心泵性能参数和叶轮几何 参数中 叶轮进口直径 D0对效率的影响最大 叶片包角 影响最小 它们影响大小的顺序为 D0 Q H 2 b2 D2 Z 在转速 n 常数的情况下 用上述八个参数估算效率 其 公式精度平均 相对误差 为 4 对离心泵的设 计和研究具有重要实用价值和启发意义 李红 袁建平 3 等根据要求的运行参数 通过增大叶轮 出口宽度 减小叶轮出口直径 以及修削泵体 隔舌 扩大喉部面积的方式 对某水厂的 MABS 双吸泵进行了两次改造 通过两次改造 效率 曲线的高效点向大流量偏移 1 18 倍 最高效率 提高 2 9 最大流量增加 1 03 倍 效率提高 1 8 建议在采用 CFD 软件对泵的内部流动进 行模拟计算时 应将整个过流部件 即叶轮 泵体甚至吸水室的组合作为计算模型 国内许 多装置在选型时 出于加大安全余量的原因 通常提高扬程 使得许多泵在实际运行时处于 低扬程状态 即偏大流量状态 因此许多装置 都需要进行泵高效点偏移的改造 刘文龙 郭 加红 4 等对流量和扬程达不到设计要求的某双 吸泵内部进行了三维湍流数值模拟 通过对泵 内流场和总压的分析提出切割叶轮进口的方案 对其进行了改造 结果表明数值模拟的方法对 水泵的优化设计提供了有力的工具 从现有问题上看 对双吸泵的性能优化研 究大多采用 CFD 软件分析 根据性能曲线或参 数要求对叶轮和泵体进行重新设计 以及数学 等方法 鲜有对原设计进行设计检查 从设计 理论角度找出原因的研究方式 因此 本文针 对国产的某型单级中开双吸泵与国外的同型产 品相比较 表 1 最佳工况点的流量和扬程与国 外产品均有较大差距 效率值更是低了近 20 的情况 对该泵的内部流场进行数值模拟 通 过对总压和流动特点的分析 找出可能导致该 泵性能偏差的原因 并结合传统一元流动模型 设计方法对该泵进行设计检查 提出在不改变 原叶轮设计的情况下切割叶片进口边以增大有 效进口面积 改善流道面积扩散程度的改进方 案 表 1 中开泵性能对照 Tab 1 Contrast table of pump performances 改进泵的模拟结果表明上述改进措施均是 有效的 1 CFD 分析及一元理论设计检查 1 1 原有设计参数及结构尺寸 原最佳工况点的参数为 流量 Q 151 09 L s 扬程 H 15 99m 转速 n 1480r min 原叶轮尺寸为 D1 217mm D2 280mm b2 42 3 2mm z 6 2 25 蜗 壳 基 圆 D3 276mm b3 140mm 1 2 CFD 数值模拟分析 为了找出该泵性能偏差的原因 应用三维 造型软件 Pro E 对该泵包含吸水室 叶轮和蜗壳 在内的内流场建模 如图 1 采用 CFD 计算流 体力学软件 Fluent 对该双吸泵内部的全流道流 动进行数值模拟 图 1 三维造型 Fig 1 3D geometry 国外 国内 性能对照 Q L s 1 189 151 09 79 94 H m 20 15 99 79 95 84 00 68 41 81 44 选用标准 紊流模型 SIMPELC 算法 在入口处给定基于泵流量的均匀速度进口条 件 出口处选用自由出流 近壁区的流动采用 壁面函数法 固体边壁选取无滑移边界条件 不同流量时数值模拟出的该泵的性能与实验结 果对比见表 2 可以看出所建模型和模拟结果均 是可靠的 表 2 计算性能和实验结果对比 Tab 2 Contrast the performances between numerical simulation and test 流量 Q L s 1 105 88 120 99 135 00 151 25 扬程相对偏 差 H 10 70 8 30 5 67 4 25 总功率相对 偏差 1 87 0 41 0 53 2 63 图 2 4 分别为不同流量下 过叶轮旋转中 心 与泵的进出水口水管方向垂直的截面 叶 片工作面和背面上的总压及流线分布图 由总 压分布图可以看出 由前盖板向中间挡板方向 的压力分布不均 同时 随着流量的增大 叶 片的工作面上在进口边附近的低压区也越来越 明显 在大流量时 可以看到叶片背面的中段 靠近前盖板处有明显的低压区出现 总压变化 情况不佳 从流线图可以看出 液体在通过叶片进口 边时受到挤压 液流运动向前盖板方向偏移 撞击前盖板 随着两叶片间流道的扩散 有效 过流面积变大 液流运动随即向后盖板方向改 变 在叶轮进口边附近形成了堵塞了叶轮进口 面积 并对来流造成冲击的旋流 被加速的液 流随后撞击后盖板再次改变方向 在叶片中部 附近形成低压区 在叶轮出口部分出现旋流 旋转回流对来流造成挤压和冲击 使之不能顺 利流入和流出叶轮 水流对叶轮产生冲击 造 成能量损失 图 2 Q 105 88 L s Fig 2 Q 105 88 L s 图 3 Q 151 25L s Fig 3 Q 151 25L s 图 4 Q 181 31L s Fig 4 Q 181 31L s 1 3 设计检查 将国外同型产品的性能参数作为设计要 求 用速度系数法对原叶轮的主要尺寸进行检 查 并且根据文献 5 按照传统一元理论的方 法和保角变换法对原叶轮进行设计检查和叶片 绘型质量检查 由重新设计结果认为原叶轮在主要尺寸的 选取上均较为合理 但轴面液流过水断面的变 化情况不佳 变化曲线如图 5 两叶片间流道面 积的变化情况 尤其是两叶片间的有效进出口 面积比 对性能有着重要的影响 文献 5 推荐 F进 F出 1 0 1 3 根据已建立的模型对相邻叶片间流道扩散 情况的检查 如图 5 发现两叶片间流道进出口 的有效部分面积比偏大 F进 F出 1 69 流道扩 散严重 使效率下降 图 5 轴面液流过水断面面积变化规律 Fig 5 changing regularity of axial plane flow discharge area Z Y Z Y X Y Z X 工作面 背面 Z 背面 工作面 Y X Z Y X Y Z 背面 Y Z X Z Y Z Y X 工作面 图 6 相邻叶片间流道扩散情况示意 Fig 6 flow channel diffusion in adjacent blades scheme 2 改进方案及改进泵模拟结果分析 综合分析实验结果 流场分析以及一元理 论对流道的检查情况 认为导致该泵的性能出 现偏差 效率过低的原因 可能是叶轮进口面 积太小 使来流在入口处造成阻塞和旋流 导 致整个流场中多处的流动冲击和能量损失 流 道在靠近前盖板方向上扩散严重 导致的压力 变化进一步增加了流场中的旋流强度和水力损 失 因此 在不改变原设计的基础上提出切割 叶片的进口边 以增大进口面积改善来流在进 入叶轮时的流动状态 同时减小流道的扩散的 方案 如图 7 切割线 图 7 切割方案示意 Fig 7 trimming scheme 图 8 10 显示了利用上述改进后 该泵过叶 轮旋转中心 与泵的进出水口水管方向垂直的 截面 叶片背面和工作面的总压和流线分布 图 8 Q 105 88 L s Fig 8 Q 105 88 L s 图 9 Q 151 25L s Fig 9 Q 151 25L s 图 10 Q 181 31L s Fig 10 Q 181 31L s 与图 2 4 相比 改进泵在叶片进口边附近 没有出现很明显的高压区 压力分布更为均匀 叶轮进口处的旋流的消失 液流可以较为顺利 的进入叶轮 出口边附近的旋流依然存在 但 旋流区域面积有所减小 根据模拟计算 改进泵在设计流量 189L s 时的计算扬程为 17 86m 计算水利效率为 73 53 与改进前相比 计算扬程提高了 1 19m 计算水利效率提高了 5 8 图 11 显示了改进前后该泵的计算效率曲 线 由图中可以看出 改进泵不但效率有所提 高 高效区也明显变宽 水力性能较差的情况 得到了改善 3 结论 通过数值模拟对性能较差的双吸泵进行内 部流场的计算 分析全流场内液体流动过程压 力变化和相对运动方向的异常 找出可能导致 性能偏差的原因 结合传统的一元理论进行流 道检查 结果和数值模拟相比较 综合考虑提 出改进方案 对该双吸泵改进前后的流场分析 和性能预测 证明了该方案的可靠有效性 Z Y X Y Z 背面 工作面 Y Z X Z Y X Y Z 背面 Y Z X 工作面 Z Y X Y Z 背面 工作面 Y Z X 图 11 改进前后效率对比 Fig 11 efficiency comparison between prototype and improvement 本文表明 利用数值模拟对流场进行分析 结合传统的一元理论对性能出现偏差的泵进行 设计检查 可以有效并经济的实现泵的优化 参参 考考 文文 献献 1 程云章 骆宾海 等 基于CFD技术的双吸离心泵节能技术研究 J 水力发电 2009 35 4 93 96 2 何希杰 黄毓文 离心泵多参数对效率影响的大小和排序 J 排灌机械 2002 20 4 9 10 3 李红 袁建平 等 双吸离心泵性能提