王秀禮, 朱榮生, 俞志君, 蘇保穩(wěn)

(1.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心,鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司,泰州 225500)

旋流泵屬于無堵塞泵,其在開發(fā)出來較長的一段時間內(nèi)并未引起人們的廣泛關(guān)注,但隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)大量需要輸送固液兩相介質(zhì)的場所,在輸送一些溫度變化大、含固量高的介質(zhì)時,普通結(jié)構(gòu)的渣漿泵容易堵塞,而旋流泵在輸送帶有較大顆粒和較長纖維流體時所表現(xiàn)出的過流能力與運行穩(wěn)定性日益受到人們的重視.

旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特征是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內(nèi),葉輪旋轉(zhuǎn)時,在葉輪前面的無葉腔內(nèi)形成貫通流和循環(huán)流.貫通流通過葉輪葉片間流道進入泵室而流出,循環(huán)流則在無葉腔內(nèi)循環(huán).因此在輸送含有固態(tài)顆粒的介質(zhì)時,由于水流在進入旋流泵葉輪之前已在環(huán)形蝸殼中將大部分顆粒從主流分離出去,因而葉輪磨損程度低、使用壽命長,但由于存在循環(huán)流,產(chǎn)生很大的水力損失,導(dǎo)致泵的效率較低,絕大多數(shù)泵的效率低于60%,造成很大的能源浪費[1-2].

近20年來,國內(nèi)外學(xué)者對旋流泵進行了一系列的研究.夏朋輝、趙萬勇、施衛(wèi)東等[3-6]通過數(shù)值計算的方法模擬了旋流泵內(nèi)部流場;鄭銘、沙毅等[7-8]通過試驗研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流泵性能的影響.雖然通過這些研究得出了一些寶貴的結(jié)論,但是沒有說明提高效率的具體措施.筆者在數(shù)值模擬與試驗的基礎(chǔ)上,研究了高低葉片對旋流泵水力性能的影響.

1 旋流泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

1.1 旋流泵參數(shù)

WQX 50-8-2.2型潛水旋流泵的基本參數(shù)為:流量Q=50 m3/h,揚程 H=8 m,轉(zhuǎn)速 n=1 470 r/min,葉片數(shù)Z=4,工作介質(zhì)為水.葉輪有3種:葉輪1,葉片等高;葉輪 2,葉片高度相差 8%;葉輪 3,葉片高度相差15%.葉輪的高低葉片相間排列.

1.2 數(shù)值模擬設(shè)置

數(shù)值計算采用三維定常雷諾時均Navier-Stokes方程和RNG k-ε兩方程模型,計算方法為Segregated隱式方法;泵進口采用速度進口條件;采用動靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運動問題,葉輪流道區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標系,轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,蝸殼流道區(qū)域采用靜止坐標系;采用Simp lec算法和二階迎風(fēng)格式離散差分方程進行計算;設(shè)定各個速度分量及k、ε的收斂精度為10-5[9-10].

1.3 計算域及網(wǎng)格

采用Pro/E軟件進行三維造型,如圖1(a)所示.用Gam bit軟件劃分網(wǎng)格,由于模型復(fù)雜,將其劃分為混合網(wǎng)格,計算模型共有約100萬個網(wǎng)格單元,計算域網(wǎng)格見圖1(b).筆者將旋流泵無葉腔和葉輪作為一個整體.

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and unstru ctured mesh

2 結(jié)果與分析

計算完成后,運用Tecp lot軟件對結(jié)果進行了必要的后處理,獲得所需要的計算結(jié)果.以葉輪的中點為坐標點,進口方向為y的正向,出口方向為z的正向.圖2為旋流泵葉輪流道軸面流線圖.從圖2可以看出,葉輪流道中存在非常明顯的回流和旋渦,原因在于葉輪出口不是按照壓水室的中心對稱分布的,位于壓水室斜面區(qū)域的水流先接觸到泵殼壁面而發(fā)生碰撞,從而產(chǎn)生回流,然后該回流又與剩余水流再次發(fā)生碰撞,從而使回流區(qū)域擴大.

從圖2還可以發(fā)現(xiàn),上下半平面內(nèi)葉輪出口位置存在明顯的旋渦.在上半平面內(nèi),葉輪1的旋渦作用范圍最小,葉輪3的旋渦作用范圍最大,說明流動情況相當(dāng)復(fù)雜.在下半平面內(nèi),葉輪1和葉輪3葉片間的旋渦較葉輪2復(fù)雜.旋流泵的水力損失主要是由于旋流泵內(nèi)部流動存在大量的回流與旋渦,從而導(dǎo)致了能量的耗散,降低了旋流泵的效率.

圖2 葉輪流道軸面流線圖Fig.2 M eridional stream line in flow path of impeller

圖3為軸向速度等值線分布圖.從圖3可以看出,軸向速度有正有負,說明流體確實存在流入、流出葉輪的過程,速度為正說明流體由進口流入葉輪,速度為負說明流體由葉輪流出;速度為負的區(qū)域主要集中在上半平面(即靠近出口的位置),這是因為葉輪出口不是按照壓水室的中心對稱分布的,流體要想經(jīng)由葉輪做功后流出,必須以進口相反的方向流動;葉輪2的速度絕對值高的區(qū)域面積比葉輪1和葉輪3的大,速度等值線比較混亂,說明內(nèi)部流動很復(fù)雜.

圖3 軸向速度等值線分布圖Fig.3 Axialvelocity isolines of impeller

圖4為葉輪總壓分布圖.由圖4可以看出:不同葉輪的總壓分布規(guī)律相同,葉輪1和葉輪3無葉腔中都有低壓區(qū),而葉輪2無葉腔中則沒有.圖5為絕對速度分布圖.由圖5可以看出,無葉腔靠近進口的地方速度最小,靠近葉輪的地方速度較大,最大速度發(fā)生在葉輪靠近壁面處;在上半平面蝸殼內(nèi),由于流體要流出蝸殼,速度降低.

圖4 葉輪總壓分布圖(z=0)Fig.4 Totalp ressure distribu tion of im peller(z=0)

圖5 絕對速度分布圖(z=0)Fig.5 Absolu te velocity distribu tion of impeller(z=0)

圖6為蝸殼總壓分布圖.由圖6可以看出,在半徑較小的范圍內(nèi)壓力近似一個常數(shù),這主要是因為旋流泵有較寬的無葉腔,進出口存在壓差,從而產(chǎn)生回流;由于流動類似于自由渦以及流體與蝸殼的耦合作用,在半徑超過葉輪半徑之外以及蝸殼喉部區(qū)域的靜壓分布不規(guī)則.

圖6 蝸殼總壓分布圖(y=0)Fig.6 Total pressu re distribution of volute(y=0)

在腔體的同一位置,葉輪2的總壓最大,葉輪3的總壓最小.在擴散段出口處,葉輪2的總壓最大,葉輪3的總壓最小,這表明在相同流量下,葉輪2產(chǎn)生的揚程最大.

3 試驗研究

3.1 方案設(shè)計

潛水旋流泵性能試驗是在具有B級精度的江蘇某泵廠的水泵開式試驗臺上進行的.測試系統(tǒng)由潛水旋流泵、管路系統(tǒng)、壓力傳感器、渦輪流量計、調(diào)節(jié)閥和二次儀表等組成,按照GB/T 12785—1991《潛水電泵實驗方法》進行試驗.試驗從關(guān)死點開始一直進行到額定流量的200%左右,相關(guān)測試數(shù)據(jù)由計算機自動采集和處理.

3.2 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果見圖7.由圖7可見,隨著高度差的增大,軸功率曲線幾乎平行上移,當(dāng)葉片的高度相差8%時,葉輪的揚程與效率曲線最佳.在設(shè)計流量點,葉輪2的揚程與效率最高,比葉輪 1的揚程提高0.15 m,效率提高近3%.葉輪3的揚程和軸功率均比葉輪1的低,但其效率比葉輪1的高.3種葉輪的軸功率曲線最后均趨于平緩,基本達到無過載狀態(tài).

圖7 水泵性能曲線試驗值與計算值的對比Fig.7 Comparison of pump performance betw een simulated and experim en tal resu lts

采用帶高低葉片結(jié)構(gòu)葉輪的潛水旋流泵,通過改善壓水室流動情況,減小了水力損失,提高了潛水旋流泵的揚程和效率.但當(dāng)高度差超過最佳范圍后,泵的揚程和效率開始下降.對于此次潛水旋流泵試驗,當(dāng)葉片高度差為8%時,水力性能較好.

4 結(jié) 論

(1)旋流泵無葉腔內(nèi)部存在較強的縱向旋渦和軸向旋渦,高低葉片能減小循環(huán)流損失,提高旋流泵的揚程和效率.

(2)高低葉片對揚程影響較小,但能夠顯著提高效率.

(3)當(dāng)葉片的高度相差8%左右時,泵的揚程和效率是最佳的,隨著葉片高度差的增加,泵的揚程和效率開始下降.

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