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        離心泵葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)特性研究

        2023-03-23 05:49:56
        設(shè)備管理與維修 2023年4期
        關(guān)鍵詞:渦的葉頂離心泵

        李 帥

        (中國石油大慶石化分公司煉油廠,黑龍江大慶 163000)

        1 研究背景

        離心泵被廣泛用于各種送水設(shè)備中,由于葉頂間隙的存在,離心泵產(chǎn)生泄漏流不可避免,泄漏流的大小將直接影響離心泵的揚(yáng)程和輸送效率,還會引起運(yùn)行振動的增加,對系統(tǒng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為了減弱泄漏流導(dǎo)致的振動對系統(tǒng)的影響,有必要對各種工況下泄漏渦的結(jié)構(gòu)特性和軌跡進(jìn)行研究,確定離心泵的最佳工作區(qū)間。

        相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,葉頂間隙是造成泄漏渦的主要原因,不僅影響系統(tǒng)安全,還會降低設(shè)備性能,但我國關(guān)于泄漏渦的專項研究開展的較少,流量與泄漏渦之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步探索。本文對不同工況下流量、泄漏渦、泄漏流三者間的關(guān)系進(jìn)行研究,探索泄漏渦的產(chǎn)生原因和變化情況,以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)改進(jìn)泄漏渦軌跡的預(yù)測模型。

        2 計算模型和數(shù)值方法

        2.1 計算模型

        本次研究所采用的離心泵主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要部件有進(jìn)口管、半開式葉輪和無葉擴(kuò)壓器等,其葉頂間隙為1 mm。

        圖1 試驗(yàn)泵

        2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

        本次研究在水利閉式實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)臺各項數(shù)據(jù)的測量誤差為±1.50%,試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)原理見圖2。在水流進(jìn)出口采用高精度壓力傳感器對水壓進(jìn)行測量,沿圓周方向均勻分布4 個測壓孔,將壓力平均值作為最終測量結(jié)果。電磁流量計用來測量水路的流量,水泵與電機(jī)之間安置扭矩轉(zhuǎn)速儀,實(shí)時測量扭矩。采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,保證轉(zhuǎn)速達(dá)到各種工況下水泵的運(yùn)行要求。

        圖2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

        2.3 數(shù)值計算方法

        數(shù)據(jù)的計算和分析基于ANSYS CFX 有限元分析軟件進(jìn)行,采取標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)計算公式計算流體信息,采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型預(yù)測流體的流動,這一模型在水利輸送實(shí)驗(yàn)中具有很好的適應(yīng)性,預(yù)測結(jié)果能夠滿足試驗(yàn)要求,對葉頂泄漏渦的軌跡預(yù)測能夠達(dá)到一定精度。進(jìn)口與出口均按照質(zhì)量流量計算,邊界條件設(shè)置為無滑移壁面,旋轉(zhuǎn)與固定部件的邊界條件設(shè)置為剛性體。

        2.4 網(wǎng)格劃分

        為了兼顧計算準(zhǔn)確性與計算效率,本次有限元分析中過流部件的選擇六面體網(wǎng)格,葉片選擇O 形網(wǎng)格,這次計算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于間隙層的計算,需要在間隙層設(shè)置20 個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。葉輪作為本次計算的主要部件,將其網(wǎng)格數(shù)劃分為610萬,進(jìn)口管和無葉擴(kuò)壓器作為本次計算的次要部件,網(wǎng)格數(shù)劃分為59 萬和62 萬。為了達(dá)到湍流模型的需要,將葉片壁面y+設(shè)置為2.8。各部件網(wǎng)格劃分完成后的有限元模型如圖3 所示。

        圖3 離心泵網(wǎng)格

        3 計算結(jié)果分析

        圖4 為0.93 葉高時的旋渦強(qiáng)度分布,通過漩渦的強(qiáng)度能夠識別其軌跡,但軌跡曲線難以辨認(rèn),圖中紅色部分為漩渦的主要區(qū)域,假如圖中直線部分為其軌跡,將其方向用黑色箭頭標(biāo)出,葉片用紅色直線標(biāo)出,二者之間的夾角為漏角α。這時在不同工況下其夾角的數(shù)值發(fā)生很大變化,高負(fù)荷工況下夾角大小為13.8°,隨著負(fù)荷的降低,葉片流經(jīng)的流量減小,旋渦軌跡向鄰近葉片的流動趨勢加大,發(fā)生漩渦的位置更早,當(dāng)流量達(dá)到設(shè)計工況時,漏角α 為26.1°,在葉片進(jìn)口處即產(chǎn)生旋渦。流量進(jìn)一步降低后,漏角α 持續(xù)增大,最大值可達(dá)到35.7°,這時除了在葉片吸力面產(chǎn)生漩渦外,還產(chǎn)生了二次或三次漩渦,主要集中于區(qū)域A。這是因?yàn)槿~片前端的溢流會形成高壓區(qū)B、產(chǎn)生高強(qiáng)度漩渦區(qū)C,前端溢流與泄漏渦共同作用產(chǎn)生了回流渦。

        圖4 葉尖泄漏流93%葉高旋渦強(qiáng)度分布

        圖5 與圖6 顯示了該離心泵的EPR 分布,紅色區(qū)域?yàn)樾孤u的作用區(qū)域,藍(lán)色區(qū)域?yàn)椴皇苄孤u影響的區(qū)域。由圖可知,紅色區(qū)域主要分布在兩個范圍內(nèi),一是葉頂間隙處,這里的水流受較大的壓差作用產(chǎn)生泄漏流,如圖5 與圖6 中葉頂間隙處產(chǎn)生了極強(qiáng)的旋渦;二是泄漏流在流道內(nèi)與主流共同作用形成泄漏渦,這也是受到葉頂間隙處泄漏渦的影響,是水流的能量向后擴(kuò)散造成的,進(jìn)而影響到流道內(nèi)部,在大流量工況下這種現(xiàn)象更加明顯。這時泄漏渦的能量明顯增強(qiáng),但能量更加密集,葉頂間隙處的泄漏,影響面積變小,當(dāng)系統(tǒng)流量降低時,葉頂間隙處的泄漏渦與流道的泄漏渦位置分離,雖然能量有所降低,但影響面積變大。

        圖5 葉輪軸面EPR 分布

        圖6 93%葉高EPR 分布

        4 結(jié)論

        本文研究了不同工況下離心泵葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)特性,通過對泄漏渦的位置和軌跡進(jìn)行分析,得出下列結(jié)論。

        (1)大流量工況下,不僅在葉頂間隙處會形成泄漏流,而且葉片尾緣處的泄漏流可以穿過相鄰葉片間隙再次形成泄漏流,起到加強(qiáng)泄漏流的作用。小流量工況下,泄漏渦的形成機(jī)理較為復(fù)雜,泄漏渦呈現(xiàn)向外擴(kuò)散的趨勢,直至達(dá)到相鄰葉片進(jìn)口處才會破碎,形成溢流,進(jìn)而引發(fā)通道渦和回流渦。

        (2)葉頂泄漏流的出現(xiàn)與葉頂間隙有直接關(guān)系,在葉片后方形成泄漏渦,小流量工況下葉片邊緣處的水流產(chǎn)生回流現(xiàn)象,回流與溢流同時存在,大流量工況下泄漏渦引起的泄漏流會流經(jīng)后一片葉片的葉頂間隙,形成二次甚至三次泄漏流。

        (3)偏離設(shè)計工況時葉輪內(nèi)部水流能量發(fā)生改變,大流量工況下,泄漏流的能量密度集中,流速增大,但泄漏流與主泄漏渦區(qū)域相重合,影響面積變小,發(fā)生區(qū)域位于遠(yuǎn)離葉片頂端的地方。小流量工況下,泄漏流的能量密度變小,流速降低,泄漏流與主泄漏渦區(qū)域分開,影響面積變大,發(fā)生區(qū)域位于臨近葉片頂端的地方與回流密集區(qū)域。

        (4)改進(jìn)后的模型精確的設(shè)置了葉頂間隙處的流速,考慮工況變化情況對流速的影響,優(yōu)化了原模型使用平均速度進(jìn)行計算的結(jié)果,通過加入速度比值進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度,增加了預(yù)測范圍。這表明改進(jìn)后的模型在預(yù)測精度與預(yù)測范圍方面全部優(yōu)于原模型,可以對泄漏渦的形成和軌跡進(jìn)行精確預(yù)測。

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