中壓甲銨泵內流場數值模擬分析

于春雨 陳 波 彭 景 朱小兵

（1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都610500；2.重慶天然氣凈化總廠，重慶401200）

1 引言

中壓甲銨泵在尿素生產SNAM工藝中的作用是將低壓系統的甲銨液輸送到中壓系統，它的運行效果關系到尿素生產系統能否長期安全穩定地運行，因此該泵可稱為尿素裝置中的龍頭機泵[1]。由于國內泵廠在運轉精度、水力參數、可靠性技術及軸密封技術等方面無法滿足要求，大型石化企業均首選國外進口設備。進口設備存在互換性差的缺點，維修所需零件大部分需從國外進口，這既浪費了大量人力、物力，同時在時間上也無法保證，可能造成停車停產，嚴重影響企業的正常生產，降低企業的經濟效益，增加企業的投入成本。實現中壓甲銨泵的國產化能夠滿足國內大型石化企業的需求，并且能積累甲銨泵的設計、生產經驗，提高我國泵行業的技術水平，具有顯著的經濟效益和社會效益。

2 水力設計及造型

2.1 過流部件的水力設計

中壓甲銨泵為閉式葉輪泵，額定流量為，額定流量下揚程為257m，額定轉速為2980r/min，設計出口壓力為2.76MPa，設計溫度為35.6℃。

2.1.1 葉輪水力設計

采用“速度系數法”對中壓甲銨泵葉輪進行水力設計，主要設計步驟[2]見表1。

表1 葉輪水力計算的基本內容

2.1.2 導葉及吸入室水力設計

本設計采用徑向導葉，導葉由正導葉、反導葉和彎道組成，正導葉包括擴散段部分和螺旋線部分。螺旋線部分主要收集液體，擴散段部分用來減小液體流速，即將液體一部分速度能轉化為壓力能，以減少液體至下一段葉輪進口過程中的水力損失。彎道可以改變液體的流動方向，使液體產生軸向運動和向心運動，反導葉的作用是使液體從彎道出來后均勻地流入下一級葉輪進口，控制下一級葉輪進口的液流預旋[3]。

吸入室應保證葉輪進口前液流分布均勻，液流運動的速度方向符合要求，并應盡可能地減小吸入室的水力損失。該中壓甲銨泵由于設計流速小，并且進口損失和揚程比較起來損失較小，因此可以采用直筒型吸入室代替進行數值模擬。出口直徑即為葉輪的進口直徑，吸入室的長度為150mm。

2.2 三維建模及網格劃分

完成水力設計后，對泵體各過流部件進行三維建模，用于后續的數值模擬計算。本研究采用三維軟件Solidworks進行建模，單級流域三維模型圖見圖1。

圖1 單級流域三維模型圖

本文采用ICEM CFD對各部件進行網格劃分[4]。流域模型中吸入室采用結構網格，葉輪流域以及導葉流域采用非結構四面體網格，以利于計算收斂。吸入室網格和節點數分別為168428和151680，葉輪流域的網格數和節點數分別為1737717和302924，單級導葉流域的網格數和節點數分別為724301和128161。

3 數值模擬分析

3.1 內流場定常下的數值模擬

離心泵流場數值模擬的一個重要目的就是，利用模擬得到的流場，分析離心泵各關鍵部件流動狀態的好壞，以判斷各部件的設計是否合理。

3.1.1 葉輪流場分析

圖2、圖3分別是設計工況下離心泵首級葉輪壓力云圖和首級葉輪前蓋板壓力云圖。根據圖2可以分析出對于單級葉輪，從葉輪進口到葉片進口流體壓力幾乎沒有變化，這表明區域內流體所攜帶的能量幾乎沒有變化；從葉片進口到葉片出口壓力逐漸增加，這表明該區域在不斷獲得能量，這是由于葉輪高速旋轉，流體在沿著葉輪流道流動的過程中葉片做功，流體能量不斷增加致使壓力增大；葉輪壓力云圖壓力梯度均勻，沒有出現明顯的突變，各流道壓力分布基本均勻，這表明該葉輪的設計是成功的。

圖2 首級葉輪壓力云圖

圖3 首級葉輪前蓋板壓力云圖

圖4是葉輪易發生汽蝕部位分析圖。根據汽蝕原理，當壓力低于液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓力時，容易發生汽蝕。進一步分析可得出汽蝕點在葉片進口處靠近葉片背面的地方，這也與理論研究結果相符。

圖4 葉輪易發生汽蝕部位分析圖

3.1.2 導葉流場分析

圖5是額定工況下首級導葉壓力云圖，壓力云圖表明導葉流道的壓力分布均勻，在導葉的擴散段，壓力會沿流動方向逐漸升高，這是由于液體流速減慢，動能轉化成壓力能；在過渡段以及反導葉段，導葉的壓力沒有明顯的變化，并且未出現低壓區、漩渦等，導葉的壓力變化符合理論研究。因此導葉的設計是合理可靠的。

3.2 內流場非定常下的數值模擬

圖6 葉輪周期內出口壓力隨葉輪相位變化

在模擬計算中以葉輪每轉過3°作為一個分析點，兩個時間步長作為一個定點分析，為保證計算的準確性，將定常結果導入作為非定常計算的原始計算數據。根據數值模擬結果，繪制葉輪出口壓力以及離心泵揚程隨葉輪相位變化的曲線圖，見圖6、圖7。

圖7 葉輪周期內揚程隨葉輪相位變化圖

分析可知，葉輪出口壓力以及泵揚程隨葉輪相位呈周期性變化，且周期同葉輪周期一致，葉輪周期內離心泵揚程出現波動。

4 結論及展望

本文通過水力設計以及大量的模擬分析，驗證了使用非定常分析數值模擬方法對中壓甲銨泵進行模擬的可行性，為中壓甲銨泵的國產化研究提供了一定的理論依據。

［1］王斌.離心式高壓甲銨泵長周期運行總結［J］.河南化工，2012，29(9):40-420.

［2］沈陽水泵研究所.葉片泵設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1983.

［3］ReneBosson，Bruno Goirand.Design ofa high performance low cost hydrogen turbopump for VESCO engine［R］.AIAA 99-2191.

［4］紀兵兵，陳金瓶.ANSYSICEMCFD網格劃分技術實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.