叢 君

（大慶石化公司設(shè)備維修中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

輪轂是泵轉(zhuǎn)子室的重要組成部分，用于固定葉輪。在傳統(tǒng)的軸流泵中，為了調(diào)節(jié)葉片角度，轉(zhuǎn)子和法蘭通常被設(shè)計(jì)成球面形，但是這會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致較高的水力損失。而實(shí)際上，許多水泵是不需要調(diào)整葉片角度的。例如，本文的循環(huán)水泵主要用于冷卻，因此可以將泵體和法蘭設(shè)計(jì)成一個(gè)筒體，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本，提高設(shè)備的性能。鄭源等基于ANSFYS 軟件對(duì)5 種水輪機(jī)輪轂比進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪轂比降低0.35～0.31 時(shí)，操作人員的變形和靜應(yīng)力分布基本相同，最大位移和最大靜應(yīng)力略有增加，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；史立堅(jiān)等考察了四軸流泵轉(zhuǎn)子的水力性能，發(fā)現(xiàn)分流比對(duì)汽蝕性能的影響更大，輪轂比越大，揚(yáng)程性能曲線傾斜度越大，低流量時(shí)高效區(qū)移動(dòng)越大

本文的循環(huán)水泵仍采用軸流泵轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子和輪緣為圓柱形，不同于常規(guī)的軸流泵。國(guó)內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)軸流泵的研究較多，而對(duì)圓筒型循環(huán)水泵的研究較少，如水力性能、節(jié)點(diǎn)對(duì)水力性能的影響、結(jié)構(gòu)性能等。本文的研究結(jié)果對(duì)軸流泵、循環(huán)泵的水力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)鼓的選型具有一定的指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型

根據(jù)循環(huán)水泵的夜間工況，將輪緣設(shè)計(jì)為圓柱形，而常規(guī)的軸流泵為球面形。兩臺(tái)泵轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)參數(shù)相同：直徑d 為140 mm，轉(zhuǎn)子直徑D1=350 mm，轉(zhuǎn)速n=950 r/min，輪轂比為0.4，葉柵密度B=1.4，輪緣葉片角β1=15.33（圖1）；控制葉片編號(hào)為Z2=7，控制葉片直徑D2為350 mm；設(shè)計(jì)流量QD=390 L/s，泵轉(zhuǎn)速為905 r/min。

圖1 葉輪三維模型

2 網(wǎng)格劃分以及無(wú)關(guān)性分析

循環(huán)水泵的數(shù)量決定了計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性進(jìn)行分析?？偩W(wǎng)格數(shù)N 分別為100 萬(wàn)、130 萬(wàn)、160 萬(wàn)、190 萬(wàn)，200 萬(wàn)和250 萬(wàn)的泵的單位是根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算的（圖2）。如果轉(zhuǎn)子總數(shù)為190 萬(wàn)，網(wǎng)格總數(shù)較少，因此網(wǎng)格的效率較低。為了減少計(jì)算工作量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的影響，選擇了一個(gè)泵基為220 萬(wàn)，以減少網(wǎng)格增長(zhǎng)的影響。

圖2 循環(huán)水泵裝置網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

3 控制方程及邊界條件

數(shù)值模擬的控制方程為平均N—S（納維—斯托克斯）時(shí)間方程，K 入口極限的RNG 方程以入口總壓為條件，壓力值為101 325 Pa，輸出邊界為質(zhì)量流量輸出，項(xiàng)目流量QD為390 L/s。轉(zhuǎn)子設(shè)在旋轉(zhuǎn)區(qū)，其余部件設(shè)在靜止區(qū)，轉(zhuǎn)速n=950 r/min，實(shí)壁邊界包括葉片表面、隔板表面、矩形內(nèi)表面等，按黏性液體要求n 滑移條件為合格；在相鄰墻中應(yīng)用墻標(biāo)準(zhǔn)功能邊界條件。動(dòng)靜界面采用中速相界面模型，其余部分不采用界面。

（1）對(duì)兩個(gè)泵模型進(jìn)行大量模擬。計(jì)算流量在190～470 L/s，每20 L/s 計(jì)算一個(gè)流量點(diǎn)。從圖3 可以看出：循環(huán)水泵和軸流泵的揚(yáng)程和效率曲線比較平滑，變化趨勢(shì)基本一致；循環(huán)水泵揚(yáng)程在所有工況下均大于軸流泵揚(yáng)程；循環(huán)水泵裝置的效率曲線明顯高于大流量和設(shè)計(jì)流量水泵裝置的效率曲線；在設(shè)計(jì)流量下循環(huán)水泵揚(yáng)程3.35 m，但效率86.29%時(shí)揚(yáng)程為3.19 m，效率低、運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖3 兩種輪轂型式泵裝置性能曲線

（2）兩個(gè)泵轉(zhuǎn)子壓力面的壓力值從汽包逐漸上升到葉輪邊界，壓力值在葉輪出口附近達(dá)到最高點(diǎn)。當(dāng)流量增大時(shí)，葉片表面壓力值增大、前后壓差減小。循環(huán)水泵揚(yáng)程一般大于軸流泵揚(yáng)程，表面的真空壓力從入口逐漸增加到低流量。在平均壓力附近，兩種葉片的進(jìn)口壓力均較低，這是水泵運(yùn)行時(shí)最容易產(chǎn)生氣蝕的區(qū)域。在相同流量情況下，循環(huán)泵的低壓區(qū)大于軸流泵葉輪，說(shuō)明葉片的效果比循環(huán)水泵差。

（3）最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近葉輪入口的區(qū)域。隨著流量的增加，主應(yīng)力的大小和范圍減小。因?yàn)楸玫膿P(yáng)程隨著流量的增加而逐漸減小，這主要是由葉片前后的壓差引起的。隨著流速的增加，葉片的最大位移逐漸減小，低流速下的最大位移約為高流速的3.49 倍。隨著流量的增加，封頭和臺(tái)肩表面的壓力逐漸減小，位移和變形減小，靠近邊緣處葉輪厚度越大、法蘭厚度越小，密封越靠近法蘭、位移和變形越大。

因此，在設(shè)計(jì)循環(huán)水泵葉片時(shí)，葉片中心應(yīng)力較大，必須對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行校核。但葉片較薄時(shí)變形會(huì)比較大，應(yīng)增加輪緣厚度或采用高剛度材料的措施，來(lái)防止疲勞變形和劣化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)循環(huán)水泵的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)子、控制葉片、進(jìn)出口流道進(jìn)行加工，并進(jìn)行模型試驗(yàn)。循環(huán)水泵轉(zhuǎn)子直徑350 mm，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速950 r/min，該數(shù)值可表示為循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)工況（QD=390 L/s，n=950 r/min）下的試驗(yàn)效率為86.21%，揚(yáng)程為3.25 m。在大流量條件下，泵效率曲線和拱形模擬頭架與模型吻合較好；低流量時(shí)，數(shù)值模擬的效率曲線略低于模型，而水頭曲線略高于模型試驗(yàn)。最大功效變化約為1.50%，約為0.11 m。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最大運(yùn)行效率為86.69%，最大數(shù)值模擬效率為86.28，偏差為0.41%，數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論

CFD 數(shù)值模擬比較了循環(huán)水泵和常規(guī)軸流泵輪轂的水力性能，同時(shí)對(duì)循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析。最后，應(yīng)使用模型檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證其正確性。

（1）循環(huán)水泵揚(yáng)程一般高于軸泵揚(yáng)程。在大電流和設(shè)計(jì)電流下，循環(huán)水泵的效率明顯高于軸流泵，而在小電流下兩種泵的效率差別很小，說(shuō)明輪轂對(duì)泵在大流量下的水力性能有明顯影響。

（2）在相同運(yùn)行方式下，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)子的容量比軸流泵大。對(duì)于每種電流條件，循環(huán)水泵脈沖的絕對(duì)速度分量明顯大于軸流泵脈沖的速度，因此循環(huán)水泵的揚(yáng)程大于常規(guī)軸流泵。

（3）循環(huán)水泵的最大張力出現(xiàn)在分配器和閥門(mén)進(jìn)口處的閥門(mén)出口處，最大排量應(yīng)出現(xiàn)在葉片進(jìn)口處的葉片法蘭處。隨著流量的增加，葉片最大水壓和最大位移逐漸減小，最大點(diǎn)位移逐漸減小。