循環水泵的水力和結構特點研究

叢 君

（大慶石化公司設備維修中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

輪轂是泵轉子室的重要組成部分，用于固定葉輪。在傳統的軸流泵中，為了調節葉片角度，轉子和法蘭通常被設計成球面形，但是這會對轉子回路產生不利影響，導致較高的水力損失。而實際上，許多水泵是不需要調整葉片角度的。例如，本文的循環水泵主要用于冷卻，因此可以將泵體和法蘭設計成一個筒體，簡化設計，降低成本，提高設備的性能。鄭源等基于ANSFYS 軟件對5 種水輪機輪轂比進行了分析，發現當輪轂比降低0.35～0.31 時，操作人員的變形和靜應力分布基本相同，最大位移和最大靜應力略有增加，滿足結構強度要求；史立堅等考察了四軸流泵轉子的水力性能，發現分流比對汽蝕性能的影響更大，輪轂比越大，揚程性能曲線傾斜度越大，低流量時高效區移動越大

本文的循環水泵仍采用軸流泵轉子，轉子和輪緣為圓柱形，不同于常規的軸流泵。國內外對傳統軸流泵的研究較多，而對圓筒型循環水泵的研究較少，如水力性能、節點對水力性能的影響、結構性能等。本文的研究結果對軸流泵、循環泵的水力和結構設計以及轉鼓的選型具有一定的指導意義。

1 計算模型

根據循環水泵的夜間工況，將輪緣設計為圓柱形，而常規的軸流泵為球面形。兩臺泵轉子的設計參數相同：直徑d 為140 mm，轉子直徑D1=350 mm，轉速n=950 r/min，輪轂比為0.4，葉柵密度B=1.4，輪緣葉片角β1=15.33（圖1）；控制葉片編號為Z2=7，控制葉片直徑D2為350 mm；設計流量QD=390 L/s，泵轉速為905 r/min。

圖1 葉輪三維模型

2 網格劃分以及無關性分析

循環水泵的數量決定了計算的準確性。因此，有必要對網絡獨立性進行分析。總網格數N 分別為100 萬、130 萬、160 萬、190 萬，200 萬和250 萬的泵的單位是根據設計條件計算的（圖2）。如果轉子總數為190 萬，網格總數較少，因此網格的效率較低。為了減少計算工作量和網絡數量對數據可靠性的影響，選擇了一個泵基為220 萬，以減少網格增長的影響。

圖2 循環水泵裝置網格無關性分析

3 控制方程及邊界條件

數值模擬的控制方程為平均N—S（納維—斯托克斯）時間方程，K 入口極限的RNG 方程以入口總壓為條件，壓力值為101 325 Pa，輸出邊界為質量流量輸出，項目流量QD為390 L/s。轉子設在旋轉區，其余部件設在靜止區，轉速n=950 r/min，實壁邊界包括葉片表面、隔板表面、矩形內表面等，按黏性液體要求n 滑移條件為合格；在相鄰墻中應用墻標準功能邊界條件。動靜界面采用中速相界面模型，其余部分不采用界面。

（1）對兩個泵模型進行大量模擬。計算流量在190～470 L/s，每20 L/s 計算一個流量點。從圖3 可以看出：循環水泵和軸流泵的揚程和效率曲線比較平滑，變化趨勢基本一致；循環水泵揚程在所有工況下均大于軸流泵揚程；循環水泵裝置的效率曲線明顯高于大流量和設計流量水泵裝置的效率曲線；在設計流量下循環水泵揚程3.35 m，但效率86.29%時揚程為3.19 m，效率低、運行狀態不穩定。

圖3 兩種輪轂型式泵裝置性能曲線

（2）兩個泵轉子壓力面的壓力值從汽包逐漸上升到葉輪邊界，壓力值在葉輪出口附近達到最高點。當流量增大時，葉片表面壓力值增大、前后壓差減小。循環水泵揚程一般大于軸流泵揚程，表面的真空壓力從入口逐漸增加到低流量。在平均壓力附近，兩種葉片的進口壓力均較低，這是水泵運行時最容易產生氣蝕的區域。在相同流量情況下，循環泵的低壓區大于軸流泵葉輪，說明葉片的效果比循環水泵差。

（3）最大應力出現在靠近葉輪入口的區域。隨著流量的增加，主應力的大小和范圍減小。因為泵的揚程隨著流量的增加而逐漸減小，這主要是由葉片前后的壓差引起的。隨著流速的增加，葉片的最大位移逐漸減小，低流速下的最大位移約為高流速的3.49 倍。隨著流量的增加，封頭和臺肩表面的壓力逐漸減小，位移和變形減小，靠近邊緣處葉輪厚度越大、法蘭厚度越小，密封越靠近法蘭、位移和變形越大。

因此，在設計循環水泵葉片時，葉片中心應力較大，必須對葉片強度進行校核。但葉片較薄時變形會比較大，應增加輪緣厚度或采用高剛度材料的措施，來防止疲勞變形和劣化。

4 試驗驗證

根據循環水泵的數值模擬結果，對轉子、控制葉片、進出口流道進行加工，并進行模型試驗。循環水泵轉子直徑350 mm，試驗轉速950 r/min，該數值可表示為循環水泵在設計工況（QD=390 L/s，n=950 r/min）下的試驗效率為86.21%，揚程為3.25 m。在大流量條件下，泵效率曲線和拱形模擬頭架與模型吻合較好；低流量時，數值模擬的效率曲線略低于模型，而水頭曲線略高于模型試驗。最大功效變化約為1.50%，約為0.11 m。實驗測試的最大運行效率為86.69%，最大數值模擬效率為86.28，偏差為0.41%，數值模擬結果準確可靠。

5 結論

CFD 數值模擬比較了循環水泵和常規軸流泵輪轂的水力性能，同時對循環水泵的結構性能進行分析。最后，應使用模型檢查數據的準確性，并驗證其正確性。

（1）循環水泵揚程一般高于軸泵揚程。在大電流和設計電流下，循環水泵的效率明顯高于軸流泵，而在小電流下兩種泵的效率差別很小，說明輪轂對泵在大流量下的水力性能有明顯影響。

（2）在相同運行方式下，循環水泵轉子的容量比軸流泵大。對于每種電流條件，循環水泵脈沖的絕對速度分量明顯大于軸流泵脈沖的速度，因此循環水泵的揚程大于常規軸流泵。

（3）循環水泵的最大張力出現在分配器和閥門進口處的閥門出口處，最大排量應出現在葉片進口處的葉片法蘭處。隨著流量的增加，葉片最大水壓和最大位移逐漸減小，最大點位移逐漸減小。