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                      JW0(M00~35型離心泵誘導輪設計

                      來源:博山東方水泵    發布時間:2019-02-13 11:22    瀏覽量:

                        W20(M00~315型離心泵誘導輪設計劉厚林1莊宿國1俞志君2談明高1(1江蘇大學流體機械及工程技術研究中心,江蘇鎮江212013;2江蘇振華泵業制造有限公司,江蘇姜堰225500)數化CAD軟件,并結合2維水力設計軟件產生的數據,在Pro/E平臺上成功開發了誘導輪3維造型軟件。運用所開發的軟件,進行了誘導輪設計,并對泵及誘導輪的氣蝕性能進行了定常數值計算,得到了氣蝕發生時泵及誘導輪內部氣液兩相分布規律,對臨界氣蝕余量下泵葉輪及誘導輪葉片表面的壓力分布進行了分析,并對不同氣蝕余量下泵葉輪以及誘導輪內部的空泡分布規律進行了探討。試驗驗證表明:加裝誘導輪后泵氣蝕余量小于0.55m,滿足設計要求。

                        基金項目江蘇省科技型企業技術創新資金資助項目(SBC200910518);科技部科技型中小企業技術創新基金資載系統,由于其工作特點及環境因素等,對氣蝕性能要求較高。國內外眾多研究表明,在改善泵氣蝕性能的諸多措施中,加裝誘導輪效果為顯著,因此采用加裝誘導輪來提高W200-10心315型離心泵的氣蝕性能。為了提高設計精度和效率,縮短設計周期,開發出了功能完善的誘導輪水力設計軟件及3維造型軟件。

                        設計軟件,設計了一臺誘導輪,并應用ANSYCFX軟件在設計工況下對其進行了氣蝕性能數值計算和分析,得到了氣蝕發生時離心泵及誘導輪內部氣液兩相分布規律,對其規律進行了相應的探討,并對數值模擬結果進行了試驗驗證。

                        1誘導輪的水力設計與3維造型傳統的誘導輪水力設計方法普遍采用2個翼型來確定誘導輪的形狀,往往誤差比較大,導致誘導輪制造加工精度較低,從而無法滿足性能要求。

                        為此,采用5個翼型來設計誘導輪葉片,提高了誘導輪水力設計的精度。采用C+ +程序語言,并結合ObectARX2008開發工具,在AutoCAD2008平臺上開發出了功能完善的誘導輪水力設計軟件,并在Pro/E平臺上,在Pro/TOOLKIT環境下成功開發了誘導輪3維造型軟件。

                        開發的誘導輪2維水力設計軟件進行誘導輪水力設計,在3維造型軟件中讀入2維水力設計軟件產生的data數據文件,直接生成誘導輪的實體及水體3維模型。主要設計參數如下:輪轂直徑為43mm;輪緣直徑為166mm;輪緣斷面包角為265.9°輪轂斷面包角為418.1°輪轂進口角為34.34°;輪緣進口角為10°輪轂軸向長度為106.5mm;葉片數為2. 2計算模型及參數設置因為離心泵以及誘導輪水體部分較為復雜,所以劃分適應性較強的非結構化四面體網格,網格單元總數為1. 106,其中葉輪網格數為6.61179X105,蝸殼網格數為3.026誘導輪網格數為4.62172X105.模型,氣蝕模型采用Rayleigh-Plesset模型。輸送介質為25°C的清水(飽和蒸氣壓為3169Pa)。近壁面處選用標準壁面函數,壁面邊界采用無滑移邊界條件,壁面粗糙度設為10pm.進口條件設為總壓進口,通過調節進口總壓,使泵內部發生氣蝕,進口處水的體積分數設為1,氣泡的體積分數設為0.出口邊界條件設為質量出口以控制模型的流量,通過調節進口壓力改變進口的有效氣蝕余量,從而控制泵內部發生氣蝕的程度3計算結果分析與試驗驗證3.1數值計算結果分析3.1.1壓力場計算結果及分析為不加裝誘導輪及加裝誘導輪泵葉輪葉片壓力面在臨界氣蝕余量下靜壓分布情況,其中不加裝誘導輪泵的臨界氣蝕余量Np裝誘導輪泵的臨界氣蝕余量Np=0.5m,臨界氣蝕余量為計算所得到的泵的揚程下降3時的氣蝕余量不加裝誘導輪(b)加裝誘導輪臨界氣蝕余量下泵葉輪葉片壓力面靜壓分布由可以看到泵葉輪葉片壓力面靜壓分布都具有相同的趨勢,即從葉輪進口到葉輪出口逐步增加。另外,還可以看到此時2種狀態下葉片已存在較大的低壓區,已發生嚴重的氣蝕。對比(a)和(b)可以看到:加裝誘導輪的泵葉輪葉片壓力面壓力遠遠大于不加裝誘導輪的泵葉輪葉片壓力面壓力,這說明加裝誘導輪提高了離心泵的氣蝕性能為Np=0.5m下誘導輪葉片吸力面和吸力面(b)壓力面臨界氣蝕余量下誘導輪葉片表面靜壓分布壓力面靜壓分布情況,可以看出誘導輪葉片表面靜壓分布規律:葉輪通道內從進口至出口壓力沿軸向逐漸增加,從輪轂至輪緣沿徑向逐漸增加。誘導輪葉片上的壓力低點位于吸力面葉片進口邊外緣上,這里正是誘導輪氣蝕破壞的重點部位,若誘導輪中發生氣蝕,則在誘導輪外緣產生氣泡,在沿軸向向前運動的過程中,由于輪轂側液體在離心力作用下向外壓,使氣泡被控制在外緣局部并在誘導輪內凝結,因此不會造成整個流道的堵塞。

                        這樣,誘導輪可以在一定程度的氣蝕狀態下工作,且對其性能并無嚴重的影響。另外,在葉片壓力面葉片尾緣靠近輪轂處還有一個低壓區,這也是誘導輪容易發生氣蝕的地方,主要是因為誘導輪的輪緣的壓力高于輪轂的壓力,形成了出口輪轂的渦流區間。

                        3.1.2氣相計算結果及分析(a)和(b)分別是在設計流量下,不加裝誘導輪和加裝誘導輪栗葉輪及誘導輪葉片的空泡體積分布。從中可以看出:隨著有效凈正吸頭的降低,空泡在泵葉輪葉片表面的分布逐漸增加,并且逐漸由葉片的背面低壓區域向流道內擴展;當達到葉片的工作面后,空泡對流道造成堵塞,這將影響葉輪內部的能量交換過程,嚴重時會引起外特性曲線的下降。空泡首先發生在泵葉輪葉片進口背面靠近后蓋板處,這主要是由于該處和進口其他位置相比半徑大,因此圓周速度大,相應進口壓力損失和繞流引起的壓降較大,此外還有液體轉彎時離心力效應等因素。對比(a)和(b),可以得出:誘導輪對泵葉輪內的氣蝕有很好的抑制作用,加裝誘導輪后,泵葉輪內空泡明顯減少。另外空泡在葉片表面的分布具有一定的不對稱性,這種不對稱分布是由于蝸殼等過流部件的不對稱性而使葉片處在不同相位時其表面的壓力不同,導致每個葉片表面空泡分布的不對稱性。

                        不加裝誘導輪加裝誘導輪泵葉輪葉片表面空泡分布(b)為NP=1.83m時泵葉輪及誘導輪葉片空泡分布情況,泵葉輪葉片進口靠近后蓋板處開始出現空泡;隨著有效正吸頭的降低,誘導輪葉片前緣靠近輪緣處出現空泡,但空泡被控制在外緣局部并在誘導輪內凝結,沒有造成整個流道的堵塞,泵性能并無明顯影響;繼續降低有效凈正吸頭,氣蝕區的長度和厚度增加,沿著葉片背面填充流道,并且相對于泵葉輪流道,氣蝕在誘導輪內的發展更加劇烈。

                        為加裝誘導輪和不加裝誘導輪時氣蝕性能曲線,由可以看出卩裝誘導輪后泵的揚程較不加裝誘導輪時有所提高,但變化不大。通過模擬結果可知不加裝誘導輪時,泵的臨界氣蝕余量為2.2m,之后揚程開始迅速下降。加裝誘導輪后,泵的臨界氣蝕余量降為0.5m,氣蝕性能得到很好的改善,但是與不加裝誘導輪時相比,發現當氣蝕余量下降到臨界氣蝕余量時,加裝誘導輪后泵的揚程下降曲線比不加裝誘導輪時陡峭,其主要原因可能是誘導輪的輪緣的壓力高于輪轂的壓力,形成了出口輪轂的渦流區間,導致發生氣蝕后,誘導輪葉片尾緣靠近輪轂處與泵葉輪進口之間堵塞現象比較嚴重。

                        表1性能測試參數規定值測定值額定功率/kW泵效率/的現象,通過采用加裝誘導輪的措施,改善了該泵的氣蝕性能,并通過對其進行試驗驗證,各項性能良好,滿足了設計要求。

                        開發了誘導輪水力設計軟件及3維造型軟件,實現誘導輪水力設計及3維造型的參數化,提高了設計誘導輪的工作效率,也提高了誘導輪網格生成和數值計算的效率;分析了該泵及誘導輪在臨界氣蝕余量下,葉片表面的壓力分布規律;對泵氣蝕發生時的內部氣液兩相流場進行了分析,反映了泵內部的氣蝕過程,得到了泵發生氣蝕時泵葉輪及誘導輪葉片表面的空泡分布規律。

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