大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化设计

1、大流量高扬程管线泵的流场模拟和优化设计大耐泵业有限公司许金鹏（ 116620）沈阳广播电视大学邱海斌（ 110003）大耐泵业有限公司曲鹏（ 116620）江苏大学流体机械工程技术研究中心曹璞钰（212013）烟台阳光泵业有限公司李阳（264100）【目前国内设计制造的大流量双吸泵转速普遍较低，无法满足市场的需求。针对这一现状，大耐泵业有限公司成功研制出高转速、大流量、高扬程的双吸泵。该类型泵设计难度极大，对制造和装配工艺要求较高。本文基于三维设计和 CFD技术，详细介绍了设计及优化过程。 样机经试验验证，确认效率等关键参数达到国际领先水平。【关键词】 大流量 高转速 高扬程 双吸泵 数值模拟

2、效率 国际领先一、前言管线增压泵是一种水平中开、 单级双吸、 大流量、高转速的化工泵， API610 标准 BB1型泵。目前市场上该类型泵，大部分采用四级或六级转速。低转速泵设计难度低，但泵头尺寸比较大，制造成本高。大耐泵业有限公司研制的该类型泵为二级转速， 在相同的流量下， 具有更高的单级扬程。由于对泵效率的要求极其严苛，必须达到国标 A 线标准，使得该泵的水力设计成为难点中的难点。如今， CFD技术已经广泛应用于水泵性能的预测、 水力部件的设计和优化。本文基于数值模拟技术，结合大耐泵业双吸泵设计制造的成熟经验，对某规格的管线增压泵进行水力设计并提出优化方案。经试验验证，确认综合性能达到国际

3、领先水平。二、叶轮设计与性能预测设计参数如下流量 Q：3600 m3/h 扬程 H：230 m 转速 r ：2990 rpm 必需汽蚀余量NPSHr： 35m1. 叶轮设计计算比转速，并且比照已有成熟高效的水力模型，决定通过相似换算的方法来设计叶轮。对通过相似换算得出的叶轮进行三维造型，如图1 所示。之后使用网格生成软件ICEM对叶轮三维模型进行网格划分，如图2 所示。叶轮采用非结构四面体网格，对叶片工作面、背面和叶片入口这样流动参数变化剧烈的位置进行网格加密。自动生成网格，自动或手动修改网格，使网格整体质量达到 0.4 以上，最终网格数量为 602681。将网格导入 CFX-pre 软件，设

4、置叶轮入口面属性为 inlet 流速 v=13.7m/s ，叶轮出口面属性为 open，转速 n=2980rpm，使用标准 k- 湍流模型，单独模拟叶轮，计算在100 步内收敛。计算数据导入CFX-post 软件中进行分析。观察叶片与前后盖板压力分布情况，叶轮流线，如图3、4。可以确定叶轮整体性能良好，压力均匀变化，流线稳定无漩涡。利用CFX-POST软件中自带LiquidPumpPerformance 模块，得到叶轮效率为96.9%。由于单独对叶轮进行模拟，只观察流场和压力分布情况，得到的扬程外特性并不准确，在此忽略。三、泵体水力设计与性能预测1. 压出室设计基圆直径 D3参考模型泵体水力模

5、型相似换算，并由结构参数选取基圆 D3=1.1 × D2=1.1 × 470=517 mm，圆整后取520mm。压水室进口宽度经相似换算后，取涡室截面宽度 b3=146mm 涡室各断面面积的计算因该规格泵体需要配 0.5 Q 、 0.7 Q 、 Q、1.25 Q 四种规格转子，故在相似换算的基础上，适当放大了喉部截面的面积，以适应大流量转子的性能要求。根据 D3、 b3 及各断面面积就可以算得各断面径向尺寸。 由起始截面开始， 每 45° 取一个截面，保证涡壳断面面积均匀变化。泵体初步水力设计结束。2. 泵体水力性能预测为了验证泵体水力性能，对泵体部件进行三维造型

6、。将已设计的叶轮与泵体部件配合后以*.stp格式输出，导入ICEM软件中进行网格划分，如图 5。进出口管道流体区域采用结构化网格，叶轮、涡壳、半螺旋型吸入室采用非结构四面体网格，并对涡壳隔舌处进行加密处理，手动修改网格使网格整体质量达到 0.4 以上。整体网格数量为 2486227，其中出水段为 98400，叶轮 563092，进口段 141825，涡壳 917451，吸入室 417790。网格导入CFX-pre 软件，使用标准k- 湍流模型，进口边界按流量设置进口速度，出口边界设置为open，目标压力设 23atm。每两个相邻模型体间设置交接面 （ interface ），非旋转体与非旋转体

7、间 interface models 设置为 general ， frame change model 设置为 none，非旋转体 connection与旋转体间 interfacemodels 设置为 generalconnection，frame change model 设置为 frozenrotor 。该模型在0.6Q ，0.8Q 0.9Q，1.0Q，1.1Q，1.2Q 这 6 个流量点进行模拟计算。计算 2000 步，虽然计算不收敛但是进出口压力长时间稳定，计算数据可以使用。计算数据导入CFX-post 软件中进行分析。使用Liquidpump performance模块得出外特性参

8、数， 结果低于设计要求，对涡壳内压力分布和流线进行分析，如图6。流体在扩散管处产生了很大的漩涡，从第断面开始，压力分布没有均匀变化。 也就是说， 涡壳水力设计存在缺陷，造成大量能量损失，这是该水力设计效率偏低的直接原因。四、泵体水力优化与预测基于对流场的分析，决定改变涡壳第断面以后的断面面积，并且增大隔舌螺旋角，以提高能量回收效率。重新设计涡壳后，用同样的方法对新方案进行模拟分析，优化后的涡壳压力分布和流线情况如图7 所示。涡壳的压力分布明显变得均匀，没有出现明显漩涡，可见能量高效的由速度能转化为压能，效率提高。 外特性参数与优化前对比，如图 8 示。优化方案已经达到设计要求。五、性能试验及对比分析经过全尺寸样机的试制及试验，实测结果与理论计算的对比如下表：六、结语试验结果表明，本文所述的设计和优化方法，对大流量、高扬程、高转速双吸泵的设计有一定的指导作用，并且得出以下几点结论：1. 额定点扬程比设计值高。