多級串并聯離心泵運行特性研究

王紅超，魏志聰，李曉俊，朱祖超

（1.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南新鄉 453003；2.浙江理工大學 浙江省流體傳輸技術研究重點實驗室，杭州 310018）

0 引言

離心泵具有轉速高、體積小、重量輕、效率高、流量大等優點，因此在航空發動機的輸油、增壓系統中有著廣泛的應用［1-2］。隨著航空航天技術的不斷進步，航空系統對流體輸送產品的需求也越來越高，系統設計時會采用不同泵組成的串并聯系統以滿足不同接口的需求［3-7］。泵系統串并聯對設計要求較高，要求明確各工況下不同泵的運行特性，否則會導致泵系統的效率降低，嚴重時會對系統穩定性造成影響。

涉及泵串并聯運行時，不同泵的工況點是較為重要的參數，傳統的方法不能準確地獲得整體性能曲線。王增林等［8］以功率最低為目標函數對離心式注水泵站內泵串并聯方式以及各泵對應的轉速進行了優化，表明對泵系統運行工況點的全面掌握將有助于提高系統的效率。袁建平等［9］對泵串并聯系統進行了研究，通過圖解的方法獲得了不同泵的完全性能曲線，并推導了曲線方程。張興林等［10］在研究高效無過載離心泵的設計方法時，也探究了船用串并聯低比轉速泵具體設計，通過試驗的方法驗證了其串聯和并聯性能曲線能有效地提高效率、實現無過載特性。肖光輝等［11］針對離心泵串并聯使用和參數調整進行了研究，分析了串并聯離心泵運行參數調整方法，提出了串并聯離心泵設計和節能理論分析。

影響泵系統串并聯的因素較多，李躍等［12］通過不同結構形式泵的組合進行設計，探究了串并聯離心泵不同結構形式對泵外特性及其振動特性的影響，結果表明不同結構形式能夠影響其水力效率和振動、噪聲水平。柴立平等［13］通過5 種葉片間距研究了不等距葉片對泵串并聯下壓力脈動的影響規律，分析表明間距合理時相較等間距葉片提升了揚程和效率，并改善壓力脈動分布。JUNAIDI 等［14］通過實驗和Ansys 仿真來識別離心泵串聯配置和并聯配置的性能關系，研究發現串聯和并聯對揚程和效率的影響規律。ABDIRULLAH 等［15］研究了家用離心泵的節能運行方式和結構能量特性，通過并聯和串聯的可能性對泵的性能進行節流控制，以確定節能的功耗模式，實現了確定能耗模式的理論和實驗。

上述研究雖然已經對泵串并聯系統進行了一定的研究，但是對于單臺泵與系統間的流量匹配特性尚不明確，本文通過對3 臺泵組成的兩級串并聯系統進行設計和分析，為深入了解泵的串并聯特性提供一定的參考。

1 研究對象與網格劃分

1.1 研究對象

本文的研究對象為雙進口、雙出口的兩級泵系統。系統采用雙進口形式，包括進口1 和進口2；系統具備雙出口，包括一級（低壓）出口1 和二級（高壓）出口2。

系統具備3 種工作模式：

（1）模式1：進口1 單獨工作，進口2 關閉，出口1 流量為0 ≤Q≤16 000 L/h；

（2）模式2：進口2 單獨工作，進口1 關閉，出口1 流量為0 ≤Q≤9 600 L/h；

（3）模式3：進口1 和進口2 同時工作，出口1 流量為0 ≤Q≤23 100 L/h。

要求上述3 種模式下出口1 增壓大于70 kPa，出口2 流量增壓大于0.8 MPa；整泵在雙泵設計點效率不低于60%。

串并聯離心泵系統工作原理如圖1 所示。

圖1 串并聯離心泵系統工作原理Fig.1 Working principle of series-parallel centrifugal pump system

1.2 設計要點

（1）兩端進口需要考慮空化問題，需要誘導輪保證汽蝕性能；

（2）2 臺一級泵并聯，但是流量并不相同，而且兩泵模式不同，導致工作流量差異大，因此2 臺一級泵設計點并不相同；

（3）兩級三臺泵的轉速相同，兩臺一級泵進口方向相反；

（4）泵系統各方向尺寸應盡量小，以減小整體的尺寸和重量。

1.3 主要葉輪設計參數

通過對上述要求的分析，確定了整體的泵系統采用同軸方案，由于進口1 流量較大，因此進口1 側一級泵M1 采用軸向進流+單誘導輪+葉輪流道+環形壓水室的形式；進口2 側一級泵M2采用徑向進流+單誘導輪+單離心葉輪+螺旋形壓水室+單出口形式；二級泵M3 采用徑向進流+半開式葉輪（徑向葉片）+螺旋形壓水室的水力結構，并采用切割葉輪后蓋板進行軸向力平衡；多級泵系統主要設計參數見表1。最終各部分水力方案如圖2 所示。

表1 多級泵系統主要設計參數Tab.1 Main design parameters of multistage pump system

圖2 多級泵水力方案Fig.2 Multistage pump hydraulic scheme

2 數值計算方法與網格

為了更加準確地分析離心泵的內部流動及水力性能，建立了全流道的三維模型，含M1 泵段、M2 泵段、M3 泵段和M1，M2 匯合段共4 個部分。通過貼體性較好的非結構網格對幾何模型進行網格劃分，在葉輪、誘導輪和蝸殼等部件進行局部加密，通過網格無關性分析表明，當網格數繼續增加時，揚程與效率的變化在1%以內，因此本研究所用的網格數是可靠的，最終網格節點總數為1.87×107，具體網格分布情況見表2，最終計算域網格劃分如圖3 所示。

表2 各部件網格數分布Tab.2 Distribution of grid numbers for each component

圖3 多級泵全流場網格劃分Fig.3 Full flow field meshing of multistage pump

通過數值模擬，計算不同工作模式下各離心泵內部的流動情況及不同流量下的能量特性。本研究中的數值模擬計算基于多參考系模型（MRF），不同計算域之間采用交界面連接，其中葉輪域設置為旋轉域，其他部分設置為靜止域。模擬參考壓強為1 個標準大氣壓，邊界條件設置為：（1）出口為質量流量出口；（2）進口為壓力進口，靜壓值等于真實進口壓力；（3）固壁邊界類型為無滑移壁面。數值模擬基于雷諾平均（RANS）方程，湍流模型采用SSTk-ω模型。定常與非定常數值模擬計算的收斂判據均設置為動量方程與連續性方程的殘差均方根值小于1×10-5。

3 結果分析

3.1 串并聯系統整體工作特性研究

本文對3 臺泵組成的兩級離心泵系統，不同工作模式、不同流量下的模擬來獲取不同狀態下泵內能量特性及分布規律，并將數值計算結果與試驗值進行對比。試驗臺為閉式試驗臺，能夠實現各模式工況的調節和控制，通過對各個管路的流量和泵進、出口之間布置測點的方法獲取泵的流量和揚程等特性。由于二級出口（出口2）流量和增壓各個模式下是相同的，因此只著重關注出口1 的特性曲線。

圖4 示出模式1 工作時M1 泵和低壓出口的能量特性曲線。從圖中可以發現，試驗值與模擬值趨勢基本相同，表明數值計算結果具有一定的準確性。數值模擬結果高于試驗值，這是由于試驗運行中有容積損失等，而模擬中并未計算該部分。從圖中還可以發現，M1 實際運行流量遠大于出口1 的流量。這是因為M1 單獨工作時除給出口1 供給流量以外還要給二級的M3 一部分流量，這就導致M1 實際運行時其流量點不能按照出口1 的流量進行設計，而是要考慮出口1 和出口2的流量之和。出口1 和出口2 實際上是一種并聯的關系，因此M1 的設計揚程不能偏高，以防止出口1 流量過大。M1 的設計流量點的選擇較為困難，如何保證出口1 和出口2 的流量分配，目前尚沒有明確的設計方法能針對性地解決該問題。此時M1 的流量和出口1、出口2 流量應符合：

圖4 模式1 時出口1 流量-揚程曲線Fig.4 Performance curve of outlet 1 in Mode 1

圖5示出模式2 工作時M1 泵和低壓出口的能量特性曲線。出口1 試驗值與模擬值趨勢基本相同，模擬值略高于試驗值，其原因和模式1 的原因基本相同。M2 單獨工作時和M1 單獨工作具有相同的特性，都是流量偏大。此時都屬于單臺泵作為一級泵，出口1和出口2并聯在一級泵下游。此時M2的流量和出口1、出口2流量應符合式（2）。從圖中還可以發現，M2 的揚程是高于低壓出口的，表明從M2出口到出口1之間的損失不容忽視。工作模式1 中也存在同樣的問題。

圖5 模式2 時出口1 流量-揚程曲線Fig.5 Performance curve of outlet 1 in Mode 2

3.2 串并聯系統中各泵工作特性研究

圖6示出模式3 工作時M1 泵和M2 泵同時工作下出口1 的能量特性曲線。此時模式3 的工作方式與模式1 和模式2 有所不同。M1 泵和M2泵并聯作為一級泵存在，出口1和出口2并聯，M3 在出口2 處作為二級泵對流體進行增壓。此時工況更加復雜。受泵的結構形式、比轉速、設計點等因素的影響，目前尚沒有明確的方法預估兩臺一級泵之間在不同流量下的流量分配問題，這一問題也阻礙了泵的方案設計。為了深入了解復雜離心泵串并聯系統的運行特性，對該模式下兩臺一級泵的工作狀態進行進一步的分析。

圖6 模式3 時出口1 流量-揚程曲線Fig.6 Performance curve of outlet 1 in Mode 3

模式3 各工況下M1 和M2 的能量特性曲線如圖7 所示。從圖中M1 和M2 的流量-揚程曲線和流量-效率曲線可以發現，M1 和M2 同時工作相比各自單獨工作時流量明顯要小得多。雖然是以相同轉速工作，但是M2 的實際運行范圍要大于M1 的運行范圍。這表明2 臺泵在實際運行中確實存在流量分配比問題。M1 的高效點基本在最大流量，而M2 的高效點明顯小于M1，在0.575Qd附近。

圖7 M1 和M2 能量特性曲線Fig.7 M1 and M2 energy characteristic curves

M2 高效點小于M1 是因為M1 在模式1 狀態下其工作流量較大，而模式2 時流量要低。從圖7 中還可以發現，M1 的揚程隨流量的降低呈現逐漸上升的趨勢，而M2 的揚程隨流量的降低逐漸穩定。上述結果表明，M1 和M2 兩臺泵的性能存在較大的差異。為了進一步了解模式3 中各泵的流動狀態，對M1，M2、出口1 和出口2 的流量和揚程分布情況進行分析。

圖8 示出各工況下M1，M2、出口1 和出口2的流量分布情況。由于出口2 的工況需求較為單一，因此其流量基本保持不變。當出口1 流量為0 時，M1 和M2 全部輸送到出口2。各個工況下泵內的流量應滿足：

圖8 模式3 各部分流量分布Fig.8 Flow rate distribution of each component in Mode 3

即在不考慮泄漏等問題的情況下系統的流量是守恒的。

圖9示出模式3 狀態下不同工況下M1 和M2 的流量差值隨出口1 流量的變化曲線，流量差為QM2-QM1。從圖中可以發現，只有在出口1 流量為0 的時候兩者之間的流量差值最小，隨著出口1 的流量逐漸增大，M2 和M1 之間的流量差值呈現先增大后減小的趨勢。流量差值最大點在0.6Qd附近，較為靠近M2 的最高效率點。流量分配是否和最佳效率點有關這一問題有待后續研究進一步驗證。

圖9 M1 和M2 流量差值Fig.9 Difference between M1 and M2 flow rates

圖10 示出模式3 狀態下各泵的揚程分布情況統計，從圖中可以發現，由于出口2 的工況需求較為單一，因此其揚程在一定范圍內小幅波動。根據并聯揚程公式（4），可以發現，出口2 的揚程H出口2＜HM1+HM2+HM3，多級串并聯級間損失不容忽視。出口2 的揚程受不同工況影響會產生一定的波動。除此之外，出口1 的揚程與M2的揚程隨流量的變化規律較為接近，最大差值僅為0.188Hd；與M1 的揚程差值較大，最大差值為1.139Hd。尤其是小流量工況下，出口1 的揚程不受M1 揚程上升的影響，依然保持較為穩定的變化。

圖10 模式3 各部分揚程分布Fig.10 Head distribution of each component in Mode 3

4 結論

（1）通過對模式3 不同流量下各泵的流量進行監測，發現并聯的2 臺一級泵之間流量變化規律并不相同，最大流量差為0.15Qd，兩者之間流量差值隨流量的不斷增大呈現先增大后減小的規律。

（2）通過對模式3 不同流量下各泵的揚程進行監測，發現一級出口（出口1）的揚程與M2 的揚程較為接近，最大差值為0.188Hd，與M1 的揚程差值較大，最大差值為1.139Hd。

（3）出口2 的揚程基本不隨工況發生變化，但是其揚程受上游2 臺并聯一級泵的混合流態影響，產生波動。