馬希金,劉高博,胡忠輝,雷 盛,李新凱

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,蘭州730050) *

動(dòng)葉片重疊系數(shù)對油氣混輸泵效率的影響

馬希金,劉高博,胡忠輝,雷 盛,李新凱

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,蘭州730050)*

應(yīng)用Fluent流場模擬軟件對軸流式油氣混輸泵在不同的動(dòng)葉片重疊系數(shù)和不同含氣率下進(jìn)行流場模擬,得出其動(dòng)葉、靜葉壓力場及速度分布,進(jìn)而得到不同工況下整機(jī)效率及揚(yáng)程曲線。動(dòng)葉片重疊系數(shù)大于1的整機(jī)效率明顯高于動(dòng)葉片重疊系數(shù)等于1的整機(jī)效率。為了提高整機(jī)性能,應(yīng)選擇動(dòng)葉片重疊系數(shù)大于1。

動(dòng)葉片重疊系數(shù);壓力分布;速度分布;含氣率;整機(jī)效率

油氣混輸泵在輸送氣液混合物時(shí),氣泡的運(yùn)動(dòng)情況對泵的性能有很大影響。隨著氣泡在泵中葉輪內(nèi)聚集的情況不同,可能造成泵效率下降,甚至使泵的運(yùn)行不穩(wěn)定或產(chǎn)生斷流[1-2]。以 YQH-100型多級(jí)油氣混輸泵為研究對象,分析在不同動(dòng)葉片重疊系數(shù)下,不同含氣率對油氣混輸泵效率的影響[3]。

1 動(dòng)葉片重疊系數(shù)

壓縮級(jí)動(dòng)葉的設(shè)計(jì)采用奇點(diǎn)分布法,壓縮級(jí)靜葉的設(shè)計(jì)采用流線法,通過對不同動(dòng)葉片重疊系數(shù)在不同含氣率下壓縮級(jí)壓力、速度的模擬分析,得出其對效率的影響。選用 YQH-100型多級(jí)油氣混輸泵為樣機(jī)進(jìn)行分析,流量100 m3/h、揚(yáng)程85 m、轉(zhuǎn)速2 950 r/min、軸功率55 kW、含氣率0～0.8、效率33%、動(dòng)葉輪葉片數(shù)4、靜葉輪葉片數(shù)9、單級(jí)增壓0.1～0.4 MPa、級(jí)數(shù)5級(jí)。

1) 軸流式氣液兩相流泵的揚(yáng)程預(yù)測公式為[4-5]

式中,

2) 效率預(yù)測

式中,Hm為混熟泵揚(yáng)程,m;M為動(dòng)量,N·m;n為轉(zhuǎn)速,r/min;mtp為質(zhì)量流量,kg/s;mtp=qvgρqg+qulρvlg;qvg和qvl分別為氣相、液相體積流量,m3/s。

3) 重疊系數(shù)m表明葉片的重疊程度。m>1時(shí)葉片相互重疊,m<1時(shí)葉片間沒有重疊。

重疊系數(shù)與葉片稠密度的關(guān)系為

2 模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

單個(gè)壓縮級(jí)由1個(gè)動(dòng)葉輪和1個(gè)靜葉輪組成。

2.1 創(chuàng)建葉輪模型

葉輪模型的創(chuàng)建步驟:①計(jì)算比轉(zhuǎn)速,估算效率確定轉(zhuǎn)速;②確定輪轂比、葉輪直徑及葉片數(shù);③確定計(jì)算截面,取3個(gè)等距截面;④葉片進(jìn)口來流方向設(shè)為法向,計(jì)算出軸面速度和葉輪出口速度環(huán)量分布規(guī)律;⑤選擇幾何參數(shù)l/τ,δ/l等;⑥計(jì)算各截面翼型厚度坐標(biāo);⑦畫出葉片各截面翼型圖,并轉(zhuǎn)換成柱面坐標(biāo);⑧將所得坐標(biāo)導(dǎo)入U(xiǎn) G中,生成樣條曲線,利用曲線網(wǎng)格命令,生成曲面,縫合,得到如圖1所示葉片三維模型[6-7]。

以“公眾參與環(huán)境規(guī)劃與決策”模塊中的“嘉興模式中的公眾參與環(huán)境治理及其在浙江的可推廣性（嘉興模式項(xiàng)目）”為例。該項(xiàng)目主辦方是浙江省環(huán)境宣傳教育中心 (CEECZJ），合作伙伴為荷蘭國際社會(huì)質(zhì)量協(xié)會(huì)、英國格拉斯哥大學(xué)、英國利茲大學(xué)、浙江大學(xué)和浙江工商大學(xué)，項(xiàng)目期為2012年9月至2015年3月。

圖1 葉片三維模型

2.2 數(shù)值方法

流場模擬液相用水來代替油,氣相為空氣。紊流計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型[8]。速度-壓力耦合計(jì)算采用simple算法,非定常計(jì)算采用一階精度隱式時(shí)間項(xiàng),近壁面處理使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),多相流計(jì)算采用歐拉模型,液體為連續(xù)相,氣體為離散相。

2.3 邊界條件

設(shè)定進(jìn)口速度為1.47 m/s,給定出口壓力為0.21 MPa,出口平面垂直方向各個(gè)變量梯度為零,滿足流量守恒條件。壁面由葉片工作面、背面、輪轂組成。假設(shè)壁面無速度滑移,湍流脈動(dòng)為零,葉片及動(dòng)葉輪部分輪轂設(shè)為旋轉(zhuǎn)面,其余面設(shè)為靜止面。在網(wǎng)格的分界面,即動(dòng)葉與靜葉流體交界處,通過分界面的流量由2個(gè)分界面的區(qū)域面積計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對動(dòng)葉片重疊系數(shù)m>1和m=1兩種情況下不同含氣率的動(dòng)葉片、靜葉片壓力場和速度矢量進(jìn)行了流場模擬[9],模擬結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 2種重疊系數(shù)含氣率為零時(shí)葉片表面靜壓分布

圖3 2種重疊系數(shù)含氣率為零時(shí)葉片表面速度矢量分布

圖4 2種重疊系數(shù)含氣率0.5時(shí)葉片表面靜壓分布

圖5 2種重疊系數(shù)含氣率0.5時(shí)葉片表面速度矢量分布

3.1 靜壓力

由圖2、圖4可知,m>1的動(dòng)葉片背面前端有著較大范圍的低壓區(qū),工作面的尾部壓力分布較不均勻,壓力梯度較大,而且壓力梯度隨著含氣率的增大而增大。2種重疊系數(shù)下動(dòng)葉工作面的靜壓均成徑向分布,而且半徑越大,靜壓力越大。各含氣率下,動(dòng)葉背面的壓力均沿軸向分布,靜葉背面的壓力低于工作面壓力,靜壓壓力沿葉片方向的壓力梯度隨著含氣率的增大而減小。m>1時(shí)壓力沿靜葉片背面分布均勻,m=1時(shí)靜葉片背面中部在低含氣率時(shí)靠近輪轂和輪緣處出現(xiàn)壓力陡增的2個(gè)區(qū)域。

3.2 葉片表面速度

由圖3、圖5可知,流體對葉片葉根部的沖擊較小,m=1的動(dòng)葉片頭部產(chǎn)生沖擊的范圍比m>1時(shí)大。受葉片周期性的影響,動(dòng)葉片重疊系數(shù) m>1時(shí)動(dòng)葉片背面輪緣處的中部及重疊系數(shù)m=1時(shí)動(dòng)葉片輪緣處尾部速度明顯較大。受到前、后級(jí)不同設(shè)計(jì)參數(shù)動(dòng)葉片的影響,m>1時(shí)靜葉片背面產(chǎn)生了徑向漩渦,頭部的流動(dòng)沖擊小,工作面流動(dòng)混亂,尾部輪緣受到下級(jí)動(dòng)葉速度較大的沖擊,通過葉片頭部的輪轂處形成一股強(qiáng)列的射流,沿葉根部逆流而上,進(jìn)入動(dòng)靜葉輪之間的過度段,從而對過度段流動(dòng)情況造成一定的影響。m=1的靜葉片背面產(chǎn)生了軸向漩渦,頭部沖擊比較大,葉片工作面由于沒有受到下級(jí)動(dòng)葉頭部的沖擊,流動(dòng)比較均勻。

3.3 外特性

對數(shù)值模擬的分析得到整機(jī)的效率曲線如圖6所示。

圖6 2種重疊系數(shù)整機(jī)效率與含氣率關(guān)系曲線

由圖6看出,2種重疊系數(shù)的效率均隨著含氣率的增加而降低,但重疊系數(shù) m>1的動(dòng)葉效率明顯高于重疊系數(shù)m=1時(shí)的效率。在同樣增壓性能的條件下,重疊系數(shù)大的葉片更能適應(yīng)含氣率在較大范圍內(nèi)變化。當(dāng)然,重疊系數(shù)取得過大就會(huì)造成損失的增加,降低整機(jī)效率。

4 結(jié)論

1) 不同重疊系數(shù)的壓縮級(jí)動(dòng)葉表面的壓力在各種含氣率下分布都比較均勻,靜葉片背面壓力分布有差異,m>1時(shí)靜壓分布較均勻。

2) 各含氣率下不同重疊系數(shù)所對應(yīng)的動(dòng)葉面速度分布都比較均勻,流動(dòng)情況比較理想。靜葉片表面的速度變化不大,但流動(dòng)損失較大,是能量損失的主要部位。

3) 通過對不同重疊系數(shù)的內(nèi)部流動(dòng)情況和效率分析知,m>1時(shí)整機(jī)的效率大于 m=1的效率,所以整機(jī)模型采用動(dòng)葉片重疊系數(shù)>1的結(jié)構(gòu)。

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Effect of Moving Blade Overlapping Coefficients on Oil-G as Mixture Pump’s G as Transport Performance

MA Xi-jin,LIU Gao-bo,HU Zhong-hui,LEI Sheng,LI Xin-kai
(College of Fluid Power and Control,L anzhou University ofTechnology,L anzhou730050,China)

Using Fluent(computational fluid dynamics)software,the pressure field and velocity distribution of moving and static blade are derived by flow field simulation at overlapping coeffi

cient of different moving blade and different air voids,and the overall efficiency curve are shown at different working condition.The results show that:the overall efficiency of pump is higher than the coefficient of equal to 1,when the overlapping coefficient of moving blade is greater than 1. Therefore,the overall efficiency of the pump is improved by using the overlapping coefficient is greater than 1.

moving blade overlapping coefficients;pressure distribution;velocity distribution;air voids;overall efficiency

1001-3482(2011)05-0017-04

TE933.3

A

2010-11-18

甘肅省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GK954-3-11)

馬希金(1958-),男,山西夏縣人,研究員,從事流體機(jī)械方面的研究。