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1離心式長軸泵葉輪水力設計
根據(jù)500GJC-32.3×3型離心式長軸泵的運行要求,確定泵的主要參數(shù),基于傳統(tǒng)離心泵水力設計方法,初步確定葉輪幾何參數(shù).
2正交試驗與數(shù)值計算
2.1試驗因素及方案的確定
根據(jù)相關參考文獻和研究經(jīng)驗[7-13],選取葉輪參數(shù)中對離心式長軸泵的效率和揚程影響較大的因素作為優(yōu)化對象,分別是:葉輪進口直徑Dj、葉片數(shù)Z、葉片包角Φ、葉片出口安放角β2、葉片出口寬度b2、葉輪出口平均直徑D2以及葉輪出口傾斜角γ。每個因素選擇3個水平,選用L18(37)正交表進行優(yōu)化設計。
2.2數(shù)值計算
基于設計參數(shù),運用Pro/E軟件對離心式長軸泵進行三維建模.
2.2.1計算域及網(wǎng)格運用ICEM軟件對模型各部分水體進行非結構化網(wǎng)格劃分,并進行網(wǎng)格無關性分析[14-16],當葉輪網(wǎng)格數(shù)達到110萬、導葉網(wǎng)格數(shù)達到140萬以后,計算得到的泵效率相差小于0.12%,揚程變化不超過0.1%,故模型共需約900萬個網(wǎng)格單元可滿足計算要求,為減小計算量,正交計算針對單級全流場進行數(shù)值計算。
2.2.2計算方法及邊界條件運用ANSYSCFX軟件進行模擬,采用標準k-ε湍流模型,SIMPLEC算法。邊界條件為:總壓進口和質(zhì)量流出口,壁面設置為無滑移邊界條件,壁面粗糙度設置為12.5μm,計算精度為10-4。
2.3正交試驗模擬結果及分析
2.3.1試驗方案通過CFD數(shù)值模擬,得到18組正交試驗的模擬結果。在設計流量點Qn=1958m3/h,各試驗方案離心式長軸泵的揚程和效率計算。
2.3.2極差分析為了評價各因素不同水平對離心式長軸泵性能的影響,引入平均值,計算出各因素不同水平時模擬結果的平均值,以此來評價某一因素各水平的好壞;運用極差法分析各因素對離心式長軸泵性能影響的主次順序,極差越大,表明該因素隨水平的變化揚程和效率變化越大,為主要因素,即可得到最優(yōu)方案。對離心式長軸泵設計時應該盡可能的提高其效率,同時也要滿足設計揚程,當揚程低于工作所需揚程時離心式長軸泵不能滿足運行要求;當揚程過高效率不變時,會增加軸功率,即增大配套電機功率和成本。因此各因素各水平是否合適的判斷標準是:對于效率以額定點效率最高為最佳,對于揚程以額定點的揚程等于或略大于設計揚程為最佳。結合最終確定較優(yōu)組合。A、B、C3個因素對效率和揚程的影響一致,其較優(yōu)水平為A3B3C2。對于D因素(葉輪中間流線出口安放角β2),當β2為25°時,泵效率最高,也滿足設計揚程,故取此值,即取D2。對于E因素(葉片出口寬度b2),當b2為75mm時,泵效率最高,也滿足設計揚程,故取此值,即取E3。對于F因素(葉輪出口平均直徑D2),當D2為545mm時,泵效率最高,但揚程小于設計揚程,當D2為550mm時,效率與最高效率相差僅為0.109,同時滿足設計揚程,故取此值,即取F2。對于G因素(葉片出口傾斜角γ),當γ為25°時,泵效率最高,也滿足設計揚程,故取此值,即取G2。綜上所述,最終的較優(yōu)組合是:A3B3C2D2E3F2G2,即Dj取345mm,Z取6個,Φ取105°,β2取25°,b2取75mm,D2取550mm,γ取25°。
3不等揚程優(yōu)化
3.1不等揚程理論方法
基于正交試驗結果,綜合考慮各因素對揚程和效率影響的主次順序,采用控制變量法,選擇對泵性能有較大影響的參數(shù)進一步優(yōu)化。忽略葉片數(shù)的影響,選擇6葉片數(shù),運用不等揚程設計理論對葉片出口安放角β2進一步優(yōu)化設計,使該型離心式長軸泵能夠在多個工況下安全高效地運行。基本思路:傳統(tǒng)水力設計方法假設葉輪中每條流線沒有差異,葉輪中各流線的滑移系數(shù)μ相同,實際葉輪中每條流線存在差異,各流線的滑移系數(shù)μ不相同,各流線有限葉片理論揚程Ht不相同。然而在葉輪水力設計時,只有當各流線有限葉片理論揚程Ht相等時,所產(chǎn)生的水力損失最小。根據(jù)上述理論,基于無限葉片理論揚程Ht∞不等,通過修改葉輪幾何參數(shù),以調(diào)整滑移系數(shù),使葉輪有限葉片理論揚程Ht相等。基本方法:將離心泵葉輪分為3條流線來設計,假設葉片出口處的無窮葉片數(shù)理論揚程Ht∞呈直線形分布,結合產(chǎn)品實際運行工況,要求離心式長軸泵能夠在額定工況和偏大流量工況長期高效穩(wěn)定運行??紤]到大流量時,前蓋板做功能力弱于后蓋板做功能力。
3.2數(shù)值計算及結果分析
對不同情況進行數(shù)值計算:隨著λ的增加,各流量點下泵的揚程均有所增加,但增加趨勢不同。當λ一定時,隨著流量的減小,揚程變化率減小。當Q≥0.9Qn時,各流量下?lián)P程變化率ΔH/H隨著λ的增加先減小后增加,在λ=1.15時,揚程變化率最??;當Q<0.9Qn時,隨著流量的減小,不同λ下的揚程變化率趨于一致,其變化曲線近似一條水平線。這主要是由于選取較大的λ,增大了β2b,在β2a不變的情況下,增加了β2m,使得揚程增加;而在大流量時,后蓋板做功能力強于前蓋板,增大λ,即增大了后蓋板的做功能力,從而使得揚程有以上變化規(guī)律?;诓坏葥P程方法優(yōu)化設計的葉輪,在各個工況下其效率均高于常規(guī)方法所設計的葉輪,在大流量時尤為明顯。采用常規(guī)方法設計的葉輪最高效率出現(xiàn)在1.1Qn,隨著λ的增加,高效點向大流量偏移,當λ≥1.15時,高效點偏移至1.2Qn。當Q<0.9Qn時,不同λ下,各流量工況的效率基本相同;當Q≥0.9Qn時,隨著λ的增加,各流量工況的效率均有所變化但變化趨勢不同,當λ<1.15,隨著λ的增加,各流量工況的效率增加,增加趨勢逐漸減??;當λ=1.15,各流量工況效率達到最高,但在1.4Qn時,其效率出現(xiàn)陡降趨勢;當λ>1.15,隨著λ的增加,各流量工況的效率開始下降,且流量越大效率下降較快,高效區(qū)逐漸變窄,這主要是由于選取過大的λ,雖增加了葉輪后蓋板的工作能力,但是過大的增加了β2b,在葉輪出口出現(xiàn)紊流,同時過大的增加了β2,使得葉輪出口絕對速度v2增加,v2增加,動揚程增大,液體在葉輪和導葉中的水力損失增加,從而使得效率下降?;诓坏葥P程設計的葉輪,其軸功率均高于常規(guī)方法設計的葉輪,且隨著λ的增加,軸功率逐漸增加。當λ≤1.1時,在Q<1.4Qn范圍內(nèi)(該泵的運行范圍為(0.8~1.4)Qn),軸功率曲線均出現(xiàn)最大值,有無過載特性;當λ>1.1時,軸功率曲線隨著λ的增加出現(xiàn)陡增趨勢,且隨著流量的增加這種陡增趨勢越明顯,在大流量下容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象。綜上可知:基于不等揚程理論優(yōu)化設計的葉輪具有較好的水力性能,選擇適當后蓋板揚程系數(shù)λ,可使葉輪水力性能趨于最佳。對于該型離心式長軸泵葉輪當λ取1.1時,水力性能較優(yōu)。
4優(yōu)化方案的流場分析及試驗驗證
根據(jù)優(yōu)化參數(shù)建立葉輪,以及相關過流部件的三維模型。對離心式長軸泵在(0.5~1.4)Qn工況下進行三級全流場數(shù)值模擬。作為性能預測的基礎,取0.8Qn、1.0Qn、1.2Qn3個工況進行分析,為最優(yōu)方案的不同工況下葉輪流道內(nèi)速度矢量分布,為不同工況下離心式長軸泵中間截面靜壓分布??梢钥闯觯阂后w從葉輪獲得能量后進入導葉,經(jīng)過導葉的導流擴壓作用,其壓力進一步增加,同時進入下一級葉輪。3個不同流量工況下液體壓力從葉輪進口到出口逐漸升高,整個流道內(nèi)未出現(xiàn)局部高壓區(qū)域;液體在葉輪流道內(nèi)流速及流線分布均勻,均未出現(xiàn)漩渦,偏小流量時葉輪出口流速分布不均勻,靠近葉片壓力面以及吸力面流速高,隨著流量增大這種不均勻性逐漸消失,有利于泵在大流量高效運行。通過試驗數(shù)據(jù)可知,優(yōu)化后500GJC-32.3×3型離心式長軸泵在Q=2089.88m3/h時,最高效率η=83.22%,H=93.23m,且當Q=1968.25m3/h時,η=82.57%,H=97.78m,因此,該泵可在豐水期和枯水期高效運行。同時其大流量時具有無過載特性,當Q=2248.07m3/h時,軸功率最大P=642.09kW,η=82.76%,H=86.81m,在滿足生產(chǎn)需求的條件下,綜合考慮安全與成本投入,可將配套電機功率降低至670kW,從而降低了一次投入。由上可知,該泵滿足設計要求。
5結論
為使離心式長軸泵能夠在不同工況下高效運行,該文以500GJC-32.3×3型離心式長軸泵為例,對其進行了優(yōu)化,得到以下結論。
1)根據(jù)傳統(tǒng)方法估算離心式長軸泵葉輪參數(shù),通過正交試驗方法對葉輪參數(shù)進行初步了優(yōu)化,并對正交試驗結果進行極差分析,得到了各參數(shù)對離心式長軸泵揚程和效率影響的主次順序。
2)綜合考慮各參數(shù)對離心式長軸泵性能的影響,選取重要因素,基于不等揚程設計理論,采用控制變量法對葉輪進行多方案優(yōu)化設計,并對各方案進行了數(shù)值模擬,對比模擬結果發(fā)現(xiàn),基于不等揚程理論優(yōu)化設計的葉輪具有較好的水力性能,選擇適當后蓋板揚程系數(shù)λ,可使葉輪水力性能趨于最佳。對于該型離心式長軸泵葉輪當λ取1.1時,離心式長軸泵水力性能較優(yōu)。
3)通過上述優(yōu)化得到了一組較佳的葉輪參數(shù)組合,根據(jù)較優(yōu)參數(shù)建立三維模型,采用數(shù)值計算方法對離心式長軸泵的三級全流場進行模擬計算,對比試驗與計算結果,二者變化趨勢相同,揚程、效率、軸功率的最大誤差分別為4.02%、5.58%、3.59%,在(0.8~1.2)Qn工況下,揚程、效率、軸功率的誤差相對小。同時由試驗數(shù)據(jù)可知:在設計流量點時揚程大于97m,效率高于82%,最高效率點出現(xiàn)在1.1Qn附近為83.22%,揚程為93.23m滿足枯水期運行條件,同時具有較寬的高效區(qū)和無過載特性。因此,該泵能夠滿足設計要求,在豐水期和枯水期均能高效穩(wěn)定的運行,同時降低了電機配套功率,減少了一次成本投入。
作者:朱榮生 賀博 付強 王秀禮 張亮亮 單位:江蘇大學流體機械工程技術研究中心 江蘇國泉泵業(yè)制造有限公司