超低比转速离心泵效率提升方法研究

超低比转速离心泵效率提升方法研究

最小比速度（比速度s30）用车大规模建成。但这类泵效率较低、能源浪费较严重,因此设计节能高效的超低比转速离心泵就很必要。为此,本文从离心泵能量损失的成因出发,寻求构成超低比转速离心泵能量损失的各项因素,提出了改善途径,并试验模拟了ns=26的叶轮,确定了其最佳水力模型。叶轮internet损失的计算(1)机械损失。指泵的轴封、轴承及叶轮圆盘摩擦所消耗的功率,包括:①轴封和轴承摩擦损失。损失相对较小,合理选择轴承和轴封即可达到满意效果。②圆盘摩擦损失。由于超低比转速离心泵固有特点导致叶片出口宽度较小、叶轮外径较大、轴面流道窄而长。由于叶轮圆盘损失与叶轮外径的5次方成正比,因此较大的叶轮直径是导致过大机械损失的主要因素,也是超低比转速离心泵效率低的主要原因,降低该部分损失为本文研究重点。叶轮圆盘摩擦损失为:其中式中,γ为液体重度;D2为叶轮外径;u2为叶轮出口圆周速度;n为水泵转速;vm2为出口绝对速度的轴面分量;β2为叶片出口安放角;g为重力加速度;Ht为无限叶片数时的理论扬程;u1为叶轮进口圆周速度;vu1为进口绝对速度的圆周分量。减小叶轮圆盘摩擦损失和泵体内水力损失的途径分为5个方面。圆盘摩擦损失功率和叶轮水力功率的比值与比转速间的关系式为:式中,ΔPd为圆盘摩擦损失功率;Ph为水力功率。(2)水力损失。①低比转速离心泵内水力损失复杂,由于一般采用加大流量法设计,所以经常运行于小流量区,泵内易产生冲击、涡流、尾流、射流及流动分离现象,导致各项损失增加。②低比转速离心泵内及出口处流体的速度较高,泵内水力摩擦损失亦较大,其沿程摩擦损失与液体相对速度的平方成正比。随着计算与计算机技术的快速发展,计算和预测沿程损失和其他损失成为可能,流体机械内部流场数值模拟已用于工程应用,为更好地掌握流体机械内部流动提供了较直观的信息与数据,从而为获得优秀水力模型奠定基础。(3)容积损失。对单级低比转速离心泵,其容积损失较小,即主要是口环处的间隙泄漏损失及隔舌处的环流损失,本文暂不予考虑。2提高初速离心的效率d对泵转速的影响由式(2)看出,ΔPd与n的3次方成正比,对给定的扬程,泵转速增加后叶轮外径相应减小(可认为泵转速增大1倍,叶轮外径减小1/2),而D2减小后,圆盘摩擦损失按5次方比例下降,所以低比转速离心泵高速化是必然趋势。叶片流道的扩散角由式(3)可知,当其他参数不变时,在一定范围内β2越大,D2越小,圆盘摩擦损失越小,从而达到提高水泵效率的目的。但β2不能无限制增加,当β2过大时,相邻叶片间流道的扩散角变大,出口绝对速度增大,反而造成水力损失增加;另外,过大的β2易使扬程—流量曲线出现驼峰,泵在大流量运行时易出现过载现象。对于超低比转速离心泵,β2一般应控制于28°~45°之间。流量特性的计算泵的欧拉方程为:式中,Q为流量;ψ2为叶片出口排挤系数;b2为叶片出口宽度;cu1为进口速度在圆周方向的分量。由式(4)可看出,离心泵的扬程流量特性H-Q曲线随b2的增大趋于平缓。当流量扬程一定时,增大b2可减小D2,达到降低圆盘摩擦损失、提高效率的目的。根据文献分别给出的经验公式计算b2:式中,H为扬程。对超低比转速离心泵,为使结果更精确,本文推荐式(6)。降低ft、张拉温度超低比转速高速离心泵的喉部流速比较大,且流动处于湍流状态,当选取较大β2、b2时,适当增加Ft可降低叶轮喉部液流速和水力损失,但增加太大将使泵内冲击损失增加,一般控制于10%~40%之间。模拟小流量试验由于超低比转速高速离心泵β2较大,所以流道扩散较严重,易使叶轮流道产生回流和脱流,亦为超低比转速离心泵在小流量工作时产生不稳定的主要原因。试验证明,采用长叶片间增添短叶片、短叶片进口边适当向长叶片背面偏置的方法,可有效改善叶轮流道内的扩散度、液流速场分布及超低比转速离心泵在小流量时的稳定性,从而提高效率。本文将通过模拟试验对此进行验证。试验泵参数及造型试验泵基本参数、叶片实体造型及离心泵实体造型见表1、图1。复合式叶轮模拟应用正交试验方法,针对影响复合式叶轮短叶片设计的叶片数z、叶片径向进口的相对位置Dj/D2、叶片周向偏置度ti/t及偏转角α四个主要因素,组合16种不同叶片型式的复合式叶轮(图2),分析各因素对离心泵性能的影响趋势。利用CFD技术对复合式叶轮进行数值模拟和性能预测,实现对离心泵叶轮的优化设计,获得最优的超低比转速高速离心泵复合叶轮。表2为最优的复合叶轮模拟试验结果。由表可知:①4叶片普通叶轮的pout=3.4MPa、pin=3.2kPa、Q=5.5kg/s、Mz=48.1N·m,从而计算得到4叶片普通叶轮离心泵的扬程为345.2m,效率43.8%,均未达到设计要求。②采用复合叶轮的离心泵与普通叶轮离心泵相比,扬程和效率均有明显提高。降低泵内水积损失的方法a.超低比转速离心泵效率低的主要原因为机械损失,主要是轴封和轴承间摩擦损失及圆盘摩擦损失;次要原因为泵内水力损失;泵内容积损失较小可忽略不计。b.尽可能提高水泵转速、选择较大