输油双吸式离心泵吸入室挡板的结构参数试验
输油双吸式离心泵吸入室挡板的结构参数试验
当今世界,计算机硬件水平发展迅速,计算流体力学( CFD) 技术日益完善,CFD 软件如 Ansys-
CFX、Fluent 等在模拟流体机械的内部流场的应用中也越来越广泛. 近年来,许多学者都对流体
机械的内部流场进行了数值模拟分析并且取得了一系列成果[1 -8]. 而本研究正是采用 Ansys 软
件中的 CFX[9]对双吸式离心泵进行数值模拟分析的.
目前,半螺旋型吸入室挡板的位置形状对双吸泵性能的影响还不太明确[10 -12],相关研究成果报
道不多. 所以,对双吸泵半螺旋型吸入室挡板的设计方法和不同的挡板尺寸对双吸泵水力性能的
影响有必要进行深入研究.
笔者以某公司的输油双吸式离心泵为研究对象, 选取吸入室挡板的 3 个结构参数为试验因素,每
因素取 2 个水平,制定标准正交试验方案, 在4 个不同的流量工况下,对每组试验方案进行数值模
拟[13 -14]. 通过对模拟结果进行分析,探讨挡板主要几何参数对双吸泵扬程、水力效率和功率等
性能参数的影响,为双吸泵半螺旋型吸入室设计提供一定的理论依据.
1 研究对象与数值模拟
1. 1 研究对象
本研究的双吸泵主要设计参数: 设计流量 QN=3 600 mm³·h^- 1; 扬程 H =220 m; 转速 n = 2 980
r·min^- 1; 泵效率 ηb= 67% ; 轴功率 P0= 2 760 kW; 介质为石油.
通过三维建模软件 Pro/e5. 0 建立的该双吸泵的计算模型如图 1 所示,为了减少回流干扰,在进、
出口处进行加长处理,从吸入室部分可以明显地看到挡板的位置.
1. 2 网格划分
该双吸式离心泵模拟计算区域网格图如图 2所示
计算区域采用 ICEM 进行网格划分,进、出口直管延伸段采用结构性网格,由于吸入室、叶轮和
蜗壳的结构复杂,采用适应性较强的四面体非结构网格.
网格的质量决定了计算的精度,为了确定合适的网格数, 选取网格数为 100 ~400 万个之间的 6 组
模型在额定工况下进行数值模拟,对计算结果进行比较分析后发现: 网格数达到 220 万个后,水泵
效率相对于试验值的波动稳定在 1% 以内, 如表 1 所示.综合考虑计算机软硬件性能,最终选取网
格数为 220 万个左右.
1. 3 计算方法
在用 CFX 进行数值模拟计算时, 计算模型选择标准 k - ε 模型, 该模型由 Launder 和Spalding 提
出,是从实验现象中总结出的半经验公式,具有适用范围广、精度合理的特点,因此成为应用范围
最广泛的湍流模型. 标准 k - ε 模型假定湍动黏度为各向同性, 在湍动能 k 方程的基础上,引入了湍
动能耗散率ε 的方程, 而k 和ε 方程为如下形式:
式中: ρ 为液体密度; μ 为流体动力黏度; μt 为湍动黏度; Gk 为由于平均速度梯度而引起的湍动能
k 的产生项,
u 为雷诺平均速度;Gb 为由于浮力引起湍动能 k 的产生项,对于不可压缩流体,Gb= 0; YM 为可压
缩湍流中的脉动扩张对总的耗散率的影响,对于不可压缩流体,YM= 0.
式中: C1ε= 1. 44; C2ε= 1. 92; Cμ= 0. 09; σk= 1. 0;σε= 1. 3.
为得到较精确的计算值,边界条件设置如下: ①进口边界条件,进口采用总压进口, 参考压力设为 0
Pa; ②出口边界条件,采用质量流量边界条件,对比不同试验流量工况点,合理设定,以利于数值计
算结果和试验值的对比.
此外,收敛判据为①所有指标的残差均小于10- 4; ②出口压力监测点的数值不再随迭代次数增
加而继续变化.
1. 4 性能对比
为验证数值模拟方法的可靠性,将原型泵进行真机试验,得到的试验值除去电动机部分再乘以机
械、容积效率并经过相似换算处理,得到水力部分的相关真机试验性能参数,然后绘制性能曲线,
与数值模拟所得性能曲线对比验证. 双吸泵的模拟与试验结果性能曲线对比图如图 3 所示. 数值
模拟时进、出口测压断面分别为进、出口边界面; 试验验证时进、出口测压断面分别取在进口
法兰上游和出口法兰下游的2D( D 为进口或出口的直径) 处,且与模拟测压断面位置相差不大以
利于比较. 在0. 6QN,0. 8QN,0. 9QN,1. 0QN,1. 1QN,1. 2QN 和1. 4QN 流量工况附近对双吸泵进行
模拟与真机试验, 得出模拟值与试验值绘制成流量 - 扬程( Q - H) 、流量 - 水力效率( Q - η) 和流
量- 功率( Q - P) 的曲线.
从图 3 可以看出: 模拟值曲线与试验数据曲线两者拟合程度好,特别是在额定工况附近,二者的扬
程H 、水力效率 η 、功率 P 值相对误差均在2%以内, 表明基于CFX 数值模拟计算是可靠的.
2 正交试验
正交试验法是一种安排和分析多因素试验的科学方法,它利用正交表( 根据数学上的正交性原理
编制并已标准化的表格) 来科学地安排试验方案,并对试验结果进行计算和分析,以找出最优或较
优的生产条件或工艺条件. 本研究采用数值模拟和正交试验法[15]研究半螺旋型吸入室挡板的结
构参数对双吸泵性能的影响. 使用正交试验法的优势: ①通过科学合理地安排试验方案可以减
少试验次数,缩短试验周期; ②通过试验设计便于在众多因素中分清主次,找出影响指标的主要
因素; ③通过试验设计能尽快地找出要求的设计参数,迅速地找到优化方案.
试验目的: ①探讨挡板的结构参数对典型工况点扬程、水力效率和功率的影响,找出影响泵性能
的主要因素; ②对原型泵提出吸入室挡板的最优设计方案,改善原型泵的性能.
试验指标: ①设计工况、小流量和大流量工况下泵的扬程、水力效率及功率; ②整个流量范围
内泵的最高效率.
2. 1 试验因素水平和试验方案
选取挡板的主要结构参数: 挡板厚度S 、挡板水平方向长度 L 和挡板出口与水平方向夹角 θ 为
试验因素. 每一试验因素选取 2 个水平,确定因素水平:
A1( S =18 mm) 为挡板的设计厚度; A2( S = 36 mm) 为挡板设计厚度的 2 倍,便于探寻挡板厚度的
优化方向; B1( L = 592 mm) 为挡板水平长度设计值; B2( L =427 mm) 与吸入室进口直管段长度
相等( 即从半螺旋吸入室进口到直管段与螺旋段交接处为止) ,便于探寻挡板水平长度的合理取
值; C1( θ =28. 11°) 为吸入室挡板出口与水平方向夹角的设计值; C2( θ =0°) 为挡板为水平方向直
板,便于探寻挡板出口角度的优化方向.
选用 L4( 2³) 正交表, 具体试验设计方案如表 2所示. 按照试验方案修改水体模型后,必须严格按
方案进行试验,不能随意改动.
摘要：
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输油双吸式离心泵吸入室挡板的结构参数试验当今世界,计算机硬件水平发展迅速,计算流体力学(CFD)技术日益完善,CFD软件如Ansys-CFX、Fluent等在模拟流体机械的内部流场的应用中也越来越广泛.近年来,许多学者都对流体机械的内部流场进行了数值模拟分析并且取得了一系列成果[1-8].而本研究正是采用Ansys软件中的CFX[9]对双吸式离心泵进行数值模拟分析的.目前,半螺旋型吸入室挡板的位置形状对双吸泵性能的影响还不太明确[10-12],相关研究成果报道不多.所以,对双吸泵半螺旋型吸入室挡板的设计方法和不同的挡板尺寸对双吸泵水力性能的影响有必要进行深入研究.笔者以某公司的输油双吸式离心泵...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
价格：免费
属性：5 页
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格式：DOCX
时间：2023-03-04
