王澤兵

（廣州市昕恒泵業(yè)制造有限公司，廣東 廣州 510530）

在工業(yè)領(lǐng)域中，離心泵的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它的效率直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)效率。因此，提高離心泵的整機(jī)效率顯得尤為必要。在不考慮外界影響因素的情況下，離心泵的效率主要與設(shè)計(jì)和制造水平有關(guān)。為對(duì)離心泵的性能進(jìn)行改善，降低能耗，減少維修費(fèi)用，提出了一種基于內(nèi)流場(chǎng)分析的離心泵葉輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，下面就此展開詳細(xì)論述。

1 離心泵的薄弱環(huán)節(jié)分析

（1）水力損失。水力損失是指液體從離心泵的葉輪流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的摩擦損失、沖擊損失等，這些損失都需要消耗能量，因此便會(huì)形成水力損失。當(dāng)液體從葉輪等過(guò)流部件經(jīng)過(guò)時(shí)，受到摩擦阻力的影響，會(huì)產(chǎn)生能量損失，該損失與液體流速的平方成正比，由于流速與流量成正比，所以摩擦損失與流量的平方成正比。當(dāng)液體的流動(dòng)速度、流動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊損失，該損失主要與流量的大小有關(guān)。離心泵的總水力損失等于摩擦損失加沖擊損失，經(jīng)水力損失后的功率與未經(jīng)水力損失的功率比為水力效率，其大小主要與離心泵本身的構(gòu)造有關(guān)。要想提高水力效率，就必須減少水力損失。

（2）機(jī)械損失。部分機(jī)械零部件相互摩擦?xí)a(chǎn)生機(jī)械損失，在機(jī)械損失中，以圓盤摩擦產(chǎn)生的損失為主。圓盤摩擦損失來(lái)源于流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量消耗，即通過(guò)葉輪的驅(qū)動(dòng)，流體在蝸殼與葉輪兩側(cè)之間進(jìn)行回流運(yùn)動(dòng)，對(duì)葉輪供給的能量產(chǎn)生了消耗，進(jìn)而造成離心泵能量損失。圓盤摩擦的損失大小直接受葉輪、殼體表面的粗糙度，以及兩者之間的縫隙大小所影響。

（3）容積損失。離心泵受旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間縫隙的影響，在這一區(qū)域會(huì)產(chǎn)生壓差，使流體在壓差的作用下向低壓區(qū)流動(dòng)，并在流動(dòng)中流體附帶著高壓區(qū)的能量，導(dǎo)致高壓區(qū)因壓差作用而出現(xiàn)能量損耗，即為容積損失。

（4）汽蝕。離心泵中的流體自帶氣體，當(dāng)流體在殼體中流動(dòng)時(shí)，需克服流動(dòng)中的阻力，產(chǎn)生能量消耗，不斷降低流體液壓。在液壓降至流體飽和壓力值時(shí)，流體會(huì)發(fā)生汽化，使流體內(nèi)的氣體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)氣泡或蒸汽。一旦達(dá)到一定的條件，就會(huì)引發(fā)氣體爆破，對(duì)離心泵的過(guò)流部件產(chǎn)生沖擊，降低離心泵的部件使用壽命和性能。

2 基于內(nèi)流場(chǎng)分析的離心泵葉輪設(shè)計(jì)開發(fā)與優(yōu)化

2．1 葉輪與蝸殼的耦合

（1）耦合模型的選取。葉輪與蝸殼處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在分析離心泵內(nèi)流場(chǎng)時(shí)，葉輪與蝸殼分別處于流動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域，下面對(duì)動(dòng)靜區(qū)域的三種耦合模型進(jìn)行分析，選出最優(yōu)耦合模型：①多重參考坐標(biāo)系模型。該模型將離心泵葉輪某位置流場(chǎng)視為內(nèi)流場(chǎng)，假設(shè)葉輪中的流體區(qū)域?yàn)殪o止?fàn)顟B(tài)，利用慣性坐標(biāo)系對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行定常計(jì)算，反映流場(chǎng)瞬時(shí)的非定常運(yùn)動(dòng)。這種模型的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)態(tài)近似模型，但不適用于葉輪瞬態(tài)的精確模擬。②混合平面模型。該模型利用定常流動(dòng)替代非定常流動(dòng)，針對(duì)定子與轉(zhuǎn)子區(qū)域交界面的重合面建立模型，分別進(jìn)行定常計(jì)算，并將計(jì)算后的結(jié)果及時(shí)反饋給轉(zhuǎn)子與定子。③滑移網(wǎng)絡(luò)模型。在該模型中，定子和轉(zhuǎn)子處于同一流場(chǎng)中表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，定子網(wǎng)格區(qū)域處于靜止，轉(zhuǎn)子網(wǎng)格區(qū)域處于轉(zhuǎn)動(dòng)，需分別計(jì)算兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，通過(guò)交界面?zhèn)鬟f計(jì)算信息。在信息傳遞中對(duì)網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生滑移作用，需繼續(xù)計(jì)算新的交界面，再進(jìn)行計(jì)算信息傳遞。在這一過(guò)程中，可以保證離心泵性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)性變化，利用模型的非定常計(jì)算方法得出任意時(shí)間點(diǎn)的性能參數(shù)，提高計(jì)算結(jié)果的精確度。所以，通過(guò)比較上述三種模型，本文選擇了滑移網(wǎng)絡(luò)模型。

（2）確定邊界條件。邊界條件的確定直接關(guān)系到仿真計(jì)算結(jié)果的精確度，在離心泵內(nèi)部流場(chǎng)分析中，要根據(jù)模型要求和實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，以保證分析結(jié)果的有效性。邊界條件包括：①進(jìn)口邊界。在流體介質(zhì)壓縮量較小的情況下，質(zhì)量進(jìn)口與速度進(jìn)口是可以轉(zhuǎn)化的，所以本次分析中選取速度進(jìn)口。②出口邊界。出流邊界、壓力遠(yuǎn)場(chǎng)和壓力出口是常用的出口邊界。由于出流邊界和壓力遠(yuǎn)場(chǎng)的各參數(shù)需通過(guò)FLUENT進(jìn)行計(jì)算，且需保證出口處擴(kuò)散通量中變量為0，但是，出流邊界與壓力邊界是不能同時(shí)使用的，易降低計(jì)算的收斂性，所以本文選擇壓力出口作為出口邊界條件，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。③壁面邊界。將壁面（除出口、入口、交界面之外）設(shè)置WALL類型，用Z軸表示葉片表面移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)壁面，固體壁面設(shè)定為靜止壁面，旋轉(zhuǎn)軸與葉輪流體旋轉(zhuǎn)域的絕對(duì)轉(zhuǎn)速為每分鐘2900r，相對(duì)速度為0。

2．2 整機(jī)內(nèi)流場(chǎng)分析

離心泵內(nèi)流場(chǎng)分析要從整機(jī)的角度分析壓力與速度，準(zhǔn)確識(shí)別出離心泵的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化離心泵參數(shù)提供依據(jù)，保證離心泵達(dá)到最佳的性能狀態(tài)。

（1）壓力場(chǎng)分析。壓力場(chǎng)分析如圖1所示，從中可以看出整機(jī)壓力在不同葉輪直徑參數(shù)條件下的分布規(guī)律是相同的，而流場(chǎng)靜壓分布在不同葉輪直徑參數(shù)條件下是變化的，且變化規(guī)律趨同于直徑參數(shù)變化規(guī)律。具體表現(xiàn)為：在葉輪直徑增大時(shí)，整機(jī)壓力會(huì)隨之增大，并且蝸殼內(nèi)部壓力遞增規(guī)律為梯度性增加，增大了壓力損失的可能性；在蝸殼螺旋線尾部與擴(kuò)散管相接近的位置，壓力隨著直徑的縮小而趨于平穩(wěn)。在葉輪直徑達(dá)到最大值時(shí)，雖然隔舌部位受到明顯沖擊，但是，并未對(duì)整體狀態(tài)造成過(guò)大程度影響，說(shuō)明葉輪直徑參數(shù)變化沒有對(duì)流場(chǎng)壓力分布趨勢(shì)產(chǎn)生顯著影響；出口處壓力變化與葉輪直徑的大小密切相關(guān)，當(dāng)出口壓力增大時(shí)，可以通過(guò)改變?nèi)~輪直徑對(duì)離心泵揚(yáng)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文選取的葉輪直徑參數(shù)均為常用參數(shù)，可將其作為解決離心泵超負(fù)荷運(yùn)行問題以及優(yōu)化設(shè)計(jì)離心泵節(jié)能方案的重要參考依據(jù)。

（2）速度場(chǎng)分析。整機(jī)流場(chǎng)速度和流向變化與葉輪直徑變化趨于一致，具體表現(xiàn)為：在流場(chǎng)入口速度相對(duì)較小的狀態(tài)下，整機(jī)流場(chǎng)速度會(huì)隨著葉片做功動(dòng)能的增加而增加，使得流場(chǎng)速度呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)流場(chǎng)速度達(dá)到最高峰值后，蝸殼內(nèi)因葉片做功產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化壓力能，導(dǎo)致整機(jī)流場(chǎng)速度逐步回落，直至下降至最低水平；在整機(jī)離心泵的各個(gè)葉片中，其受力面沒有出現(xiàn)渦旋回流問題。由此可以得出結(jié)論，改變離心泵的葉輪直徑能夠有效調(diào)節(jié)出口壓力和流場(chǎng)速度，提高離心泵性能。

圖1 不同葉輪直徑的壓力場(chǎng)分布示意圖

（3）葉輪的內(nèi)流場(chǎng)。離心泵內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布較為均勻，壓力分布規(guī)律與葉片的旋轉(zhuǎn)壓力變化相關(guān)，呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)分布規(guī)律。在增加出口安裝角的情況下，位于葉片末端的靜壓力也隨之增大，促使蝸殼內(nèi)流場(chǎng)壓力增大，對(duì)離心泵揚(yáng)程產(chǎn)生直接影響。由此可以得出以下結(jié)論，離心泵揚(yáng)程的調(diào)節(jié)可通過(guò)增大葉片出口安裝角的方式予以實(shí)現(xiàn)，葉輪內(nèi)流場(chǎng)受出口安裝角的大小變動(dòng)所影響，可以始終保證內(nèi)流場(chǎng)的整體規(guī)律不發(fā)生變化，達(dá)到壓力均勻分布的設(shè)計(jì)要求。

2．3 離心泵的性能優(yōu)化

離心泵的揚(yáng)程隨著流量的增大而穩(wěn)步下降，下降的梯度變化較小，能夠滿足揚(yáng)程的設(shè)計(jì)要求。在流量不斷增大的情況下，離心泵效率也隨之增長(zhǎng)，但是，在流量達(dá)到一定值后，離心泵效率卻隨之下降。離心泵在處于最大效率點(diǎn)的工況條件下運(yùn)行，可以達(dá)到最佳的節(jié)能效果，既可以提升離心泵性能，又可以使離心泵滿足實(shí)際工作要求。換言之，離心泵的效率變化較小，即使在流量發(fā)生較大變化的情況下，離心泵的全壓和揚(yáng)程也不會(huì)受到過(guò)大程度的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，離心泵在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了提高離心泵的性能，可以基于內(nèi)流場(chǎng)分析，對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)與優(yōu)化。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)離心泵的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并在葉輪與蝸殼耦合的前提條件下，基于內(nèi)流場(chǎng)的原理，對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)離心泵葉輪設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。