【摘要】目前國內設計製造的大流量雙吸泵轉速普遍較低
，無法滿足市場的需求
。針對這一現狀，大耐泵業有限公司成功研製出高轉速
、大流量
、高揚程的雙吸泵
。該類型泵設計難度極大
，對製造和裝配工藝要求較高
。本文基於三維設計和CFD技術
，詳細介紹了設計及優化過程
。樣機經試驗驗證
，確認效率等關鍵參數達到國際領先水平
。
【關鍵詞】 大流量 高轉速 高揚程 雙吸泵 數值模擬 效率 國際領先
一
、前言
管線增壓泵是一種水平中開、單級雙吸
、大流量
、高轉速的化工泵
，API610標準BB1型泵
。目前市場上該類型泵
，大部分采用四級或六級轉速
。低轉速泵設計難度低
，但泵頭尺寸比較大
，製造成本高
。大耐泵業有限公司研製的該類型泵為二級轉速
，在相同的流量下
，具有更高的單級揚程
。由於對泵效率的要求極其嚴苛
，必須達到國標A線標準
，使得該泵的水力設計成為難點中的難點
。
如今
，CFD技術已經廣泛應用於水泵性能的預測
、水力部件的設計和優化
。本文基於數值模擬技術
，結合大耐泵業雙吸泵設計製造的成熟經驗
，對某規格的管線增壓泵進行水力設計並提出優化方案
。經試驗驗證
，確認綜合性能達到國際領先水平
。
二
、葉輪設計與性能預測
設計參數如下
流量Q
：3600 m3/h 揚程H
：230 m 轉速r
：2990 rpm 必需汽蝕餘量NPSHr
：35m
1.葉輪設計
計算比轉速
，並且比照已有成熟高效的水力模型
，決定通過相似換算的方法來設計葉輪
。
對通過相似換算得出的葉輪進行三維造型
，如圖1所示
。之後使用網格生成軟件ICEM 對葉輪三維模型進行網格劃分
，如圖2所示
。葉輪采用非結構四麵體網格
，對葉片工作麵
、背麵和葉片入口這樣流動參數變化劇烈的位置進行網格加密
。自動生成網格
，自動或手動修改網格
，使網格整體質量達到0.4以上
，最終網格數量為602681。將網格導入CFX-pre 軟件
，設置葉輪入口麵屬性為inlet流速v=13.7m/s
，葉輪出口麵屬性為open
，轉速n=2980rpm
，使用標準k-ε湍流模型
，單獨模擬葉輪
，計算在100步內收斂
。
計算數據導入CFX-post軟件中進行分析
。觀察葉片與前後蓋板壓力分布情況
，葉輪流線
，如圖3
、4
。可以確定葉輪整體性能良好
，壓力均勻變化
，流線穩定無漩渦
。利用CFX-POST軟件中自帶Liquid Pump Performance模塊
，得到葉輪效率為96.9%
。由於單獨對葉輪進行模擬
，隻觀察流場和壓力分布情況
，得到的揚程外特性並不準確
，在此忽略
。
三
、泵體水力設計與性能預測
1.壓出室設計
基圓直徑D3
參考模型泵體水力模型相似換算
，並由結構參數選取
基圓D3=1.1×D2=1.1×470=517 mm
，圓整後取520mm
。
壓水室進口寬度
經相似換算後
，取渦室截麵寬度b3=146mm
渦室各斷麵麵積的計算
因該規格泵體需要配0.5 Q
、0.7 Q
、Q
、1.25 Q 四種規格轉子
，故在相似換算的基礎上
，適當放大了喉部截麵的麵積
，以適應大流量轉子的性能要求
。根據D3
、b3及各斷麵麵積就可以算得各斷麵徑向尺寸
。由起始截麵開始
，每45°取一個截麵
，保證渦殼斷麵麵積均勻變化
。泵體初步水力設計結束
。
2.泵體水力性能預測
為了驗證泵體水力性能
，對泵體部件進行三維造型
。將已設計的葉輪與泵體部件配合後以*.stp格式輸出
，導入ICEM軟件中進行網格劃分
，如圖5
。進出口管道流體區域采用結構化網格
，葉輪
、渦殼
、半螺旋型吸入室采用非結構四麵體網格
，並對渦殼隔舌處進行加密處理
，手動修改網格使網格整體質量達到0.4以上
。整體網格數量為2486227
，其中出水段為98400
，葉輪563092
，進口段141825
，渦殼917451
，吸入室417790
。
網格導入CFX-pre軟件
，使用標準k-ε湍流模型
，進口邊界按流量設置進口速度
，出口邊界設置為open
，目標壓力設23atm
。每兩個相鄰模型體間設置交接麵（interface）
，非旋轉體與非旋轉體間interface models設置為general connection
，frame change model設置為none
，非旋轉體與旋轉體間interface models設置為general connection
，frame change model設置為frozen rotor
。該模型在0.6Q
，0.8Q 0.9Q
，1.0Q
，1.1Q
，1.2Q這6個流量點進行模擬計算
。計算2000步
，雖然計算不收斂但是進出口壓力長時間穩定
，計算數據可以使用
。
計算數據導入CFX-post軟件中進行分析
。使用Liquid pump performance模塊得出外特性參數
，結果低於設計要求
，對渦殼內壓力分布和流線進行分析
，如圖6
。
流體在擴散管處產生了很大的漩渦
，從第Ⅵ斷麵開始
，壓力分布沒有均勻變化
。也就是說
，渦殼水力設計存在缺陷
，造成大量能量損失
，這是該水力設計效率偏低的直接原因
。
四
、泵體水力優化與預測
基於對流場的分析
，決定改變渦殼第Ⅳ斷麵以後的斷麵麵積
，並且增大隔舌螺旋角
，以提高能量回收效率
。重新設計渦殼後
，用同樣的方法對新方案進行模擬分析
，優化後的渦殼壓力分布和流線情況如圖7所示
。渦殼的壓力分布明顯變得均勻
，沒有出現明顯漩渦
，可見能量高效的由速度能轉化為壓能
，效率提高
。外特性參數與優化前對比
，如圖8示
。優化方案已經達到設計要求
。
五
、性能試驗及對比分析
經過全尺寸樣機的試製及試驗
，實測結果與理論計算的對比如下表
：
六
、結語
試驗結果表明
，本文所述的設計和優化方法
，對大流量
、高揚程
、高轉速雙吸泵的設計有一定的指導作用
，並且得出以下幾點結論
：
1. 額定點揚程比設計值高
。是因為設計時人為增大相似係數和放大喉部麵積導致的；
2. 以相似換算為基礎的設計方法
，在一定範圍內
，可以保證實型泵效率達到或超過模型泵的效率
，這需要依據實型泵的流量範圍而定
。
3. CFD技術在對泵的水力設計有較大的促進作用
，但如何選擇合適的湍流模型
，尚需要進一步摸索
。 |
