基于內流場分析的離心泵葉輪設計開發(fā)與優(yōu)化論述

王澤兵

（廣州市昕恒泵業(yè)制造有限公司，廣東 廣州 510530）

在工業(yè)領域中，離心泵的應用越來越廣泛，它的效率直接關系到工業(yè)生產效率。因此，提高離心泵的整機效率顯得尤為必要。在不考慮外界影響因素的情況下，離心泵的效率主要與設計和制造水平有關。為對離心泵的性能進行改善，降低能耗，減少維修費用，提出了一種基于內流場分析的離心泵葉輪設計與優(yōu)化方法，下面就此展開詳細論述。

1 離心泵的薄弱環(huán)節(jié)分析

（1）水力損失。水力損失是指液體從離心泵的葉輪流過時產生的摩擦損失、沖擊損失等，這些損失都需要消耗能量，因此便會形成水力損失。當液體從葉輪等過流部件經過時，受到摩擦阻力的影響，會產生能量損失，該損失與液體流速的平方成正比，由于流速與流量成正比，所以摩擦損失與流量的平方成正比。當液體的流動速度、流動方向發(fā)生變化時，會產生沖擊損失，該損失主要與流量的大小有關。離心泵的總水力損失等于摩擦損失加沖擊損失，經水力損失后的功率與未經水力損失的功率比為水力效率，其大小主要與離心泵本身的構造有關。要想提高水力效率，就必須減少水力損失。

（2）機械損失。部分機械零部件相互摩擦會產生機械損失，在機械損失中，以圓盤摩擦產生的損失為主。圓盤摩擦損失來源于流體運動產生的能量消耗，即通過葉輪的驅動，流體在蝸殼與葉輪兩側之間進行回流運動，對葉輪供給的能量產生了消耗，進而造成離心泵能量損失。圓盤摩擦的損失大小直接受葉輪、殼體表面的粗糙度，以及兩者之間的縫隙大小所影響。

（3）容積損失。離心泵受旋轉部件與靜止部件之間縫隙的影響，在這一區(qū)域會產生壓差，使流體在壓差的作用下向低壓區(qū)流動，并在流動中流體附帶著高壓區(qū)的能量，導致高壓區(qū)因壓差作用而出現(xiàn)能量損耗，即為容積損失。

（4）汽蝕。離心泵中的流體自帶氣體，當流體在殼體中流動時，需克服流動中的阻力，產生能量消耗，不斷降低流體液壓。在液壓降至流體飽和壓力值時，流體會發(fā)生汽化，使流體內的氣體處于運動狀態(tài)，出現(xiàn)氣泡或蒸汽。一旦達到一定的條件，就會引發(fā)氣體爆破，對離心泵的過流部件產生沖擊，降低離心泵的部件使用壽命和性能。

2 基于內流場分析的離心泵葉輪設計開發(fā)與優(yōu)化

2．1 葉輪與蝸殼的耦合

（1）耦合模型的選取。葉輪與蝸殼處于相對運動狀態(tài)，在分析離心泵內流場時，葉輪與蝸殼分別處于流動區(qū)域和靜止區(qū)域，下面對動靜區(qū)域的三種耦合模型進行分析，選出最優(yōu)耦合模型：①多重參考坐標系模型。該模型將離心泵葉輪某位置流場視為內流場，假設葉輪中的流體區(qū)域為靜止狀態(tài)，利用慣性坐標系對流場進行定常計算，反映流場瞬時的非定常運動。這種模型的計算方法簡單，屬于穩(wěn)態(tài)近似模型，但不適用于葉輪瞬態(tài)的精確模擬。②混合平面模型。該模型利用定常流動替代非定常流動，針對定子與轉子區(qū)域交界面的重合面建立模型，分別進行定常計算，并將計算后的結果及時反饋給轉子與定子。③滑移網(wǎng)絡模型。在該模型中，定子和轉子處于同一流場中表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，定子網(wǎng)格區(qū)域處于靜止，轉子網(wǎng)格區(qū)域處于轉動，需分別計算兩個獨立的區(qū)域，通過交界面?zhèn)鬟f計算信息。在信息傳遞中對網(wǎng)格會產生滑移作用，需繼續(xù)計算新的交界面，再進行計算信息傳遞。在這一過程中，可以保證離心泵性能參數(shù)的動態(tài)性變化，利用模型的非定常計算方法得出任意時間點的性能參數(shù)，提高計算結果的精確度。所以，通過比較上述三種模型，本文選擇了滑移網(wǎng)絡模型。

（2）確定邊界條件。邊界條件的確定直接關系到仿真計算結果的精確度，在離心泵內部流場分析中，要根據(jù)模型要求和實際情況設置邊界條件，以保證分析結果的有效性。邊界條件包括：①進口邊界。在流體介質壓縮量較小的情況下，質量進口與速度進口是可以轉化的，所以本次分析中選取速度進口。②出口邊界。出流邊界、壓力遠場和壓力出口是常用的出口邊界。由于出流邊界和壓力遠場的各參數(shù)需通過FLUENT進行計算，且需保證出口處擴散通量中變量為0，但是，出流邊界與壓力邊界是不能同時使用的，易降低計算的收斂性，所以本文選擇壓力出口作為出口邊界條件，保證計算結果的準確性。③壁面邊界。將壁面（除出口、入口、交界面之外）設置WALL類型，用Z軸表示葉片表面移動的旋轉壁面，固體壁面設定為靜止壁面，旋轉軸與葉輪流體旋轉域的絕對轉速為每分鐘2900r，相對速度為0。

2．2 整機內流場分析

離心泵內流場分析要從整機的角度分析壓力與速度，準確識別出離心泵的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化離心泵參數(shù)提供依據(jù)，保證離心泵達到最佳的性能狀態(tài)。

（1）壓力場分析。壓力場分析如圖1所示，從中可以看出整機壓力在不同葉輪直徑參數(shù)條件下的分布規(guī)律是相同的，而流場靜壓分布在不同葉輪直徑參數(shù)條件下是變化的，且變化規(guī)律趨同于直徑參數(shù)變化規(guī)律。具體表現(xiàn)為：在葉輪直徑增大時，整機壓力會隨之增大，并且蝸殼內部壓力遞增規(guī)律為梯度性增加，增大了壓力損失的可能性；在蝸殼螺旋線尾部與擴散管相接近的位置，壓力隨著直徑的縮小而趨于平穩(wěn)。在葉輪直徑達到最大值時，雖然隔舌部位受到明顯沖擊，但是，并未對整體狀態(tài)造成過大程度影響，說明葉輪直徑參數(shù)變化沒有對流場壓力分布趨勢產生顯著影響；出口處壓力變化與葉輪直徑的大小密切相關，當出口壓力增大時，可以通過改變葉輪直徑對離心泵揚程進行調節(jié)。本文選取的葉輪直徑參數(shù)均為常用參數(shù)，可將其作為解決離心泵超負荷運行問題以及優(yōu)化設計離心泵節(jié)能方案的重要參考依據(jù)。

（2）速度場分析。整機流場速度和流向變化與葉輪直徑變化趨于一致，具體表現(xiàn)為：在流場入口速度相對較小的狀態(tài)下，整機流場速度會隨著葉片做功動能的增加而增加，使得流場速度呈現(xiàn)出增長趨勢。當流場速度達到最高峰值后，蝸殼內因葉片做功產生的動能會轉化壓力能，導致整機流場速度逐步回落，直至下降至最低水平；在整機離心泵的各個葉片中，其受力面沒有出現(xiàn)渦旋回流問題。由此可以得出結論，改變離心泵的葉輪直徑能夠有效調節(jié)出口壓力和流場速度，提高離心泵性能。

圖1 不同葉輪直徑的壓力場分布示意圖

（3）葉輪的內流場。離心泵內流場的壓力分布較為均勻，壓力分布規(guī)律與葉片的旋轉壓力變化相關，呈現(xiàn)出旋轉分布規(guī)律。在增加出口安裝角的情況下，位于葉片末端的靜壓力也隨之增大，促使蝸殼內流場壓力增大，對離心泵揚程產生直接影響。由此可以得出以下結論，離心泵揚程的調節(jié)可通過增大葉片出口安裝角的方式予以實現(xiàn)，葉輪內流場受出口安裝角的大小變動所影響，可以始終保證內流場的整體規(guī)律不發(fā)生變化，達到壓力均勻分布的設計要求。

2．3 離心泵的性能優(yōu)化

離心泵的揚程隨著流量的增大而穩(wěn)步下降，下降的梯度變化較小，能夠滿足揚程的設計要求。在流量不斷增大的情況下，離心泵效率也隨之增長，但是，在流量達到一定值后，離心泵效率卻隨之下降。離心泵在處于最大效率點的工況條件下運行，可以達到最佳的節(jié)能效果，既可以提升離心泵性能，又可以使離心泵滿足實際工作要求。換言之，離心泵的效率變化較小，即使在流量發(fā)生較大變化的情況下，離心泵的全壓和揚程也不會受到過大程度的影響。

3 結語

綜上所述，離心泵在工業(yè)領域中的應用越來越廣泛，為了提高離心泵的性能，可以基于內流場分析，對離心泵葉輪進行設計開發(fā)與優(yōu)化。在具體的設計過程中，應當對離心泵的薄弱環(huán)節(jié)進行分析，并在葉輪與蝸殼耦合的前提條件下，基于內流場的原理，對壓力場和速度場進行分析，在此基礎上，對離心泵葉輪設計進行優(yōu)化。