对双吸泵性能影响因素的研究.docx
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对双吸泵性能影响因素的研究
对双吸泵性能影响因素的研究
技术中心科研室吴志旺
一．数值模拟简介
通常研究流体流动的方法有理论分析、实验测试和数值模拟三种。
数值模拟以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，并形成了新的学科――计算流体动力学CFD。
早在20世纪50年代，一些专家学者就开始尝试采用数值计算的方法来预测叶轮机械中的流动情况，近年来得益于计算机技术的高速发展，CFD在流体机械数值模拟方面的应用也日渐增多。
水泵性能预测与分析是泵产品设计中必不可少的重要环节，是验证水泵设计优劣的必要步骤。
对水泵的每一次设计结果均要进行性能预测与分析，以确定下一步的设计与优化,最终得到符合设计要求的高性能产品。
这样可缩短泵新产品的设计周期，提高工作效率。
二．数值模拟结果的准确性
数值模拟作为一种流体水力研究手段，影响其计算结果的因素很多，比如三维建模与实物的差别，划分得到网格质量的好坏，设置流场边界条件与实际流场边界条件的吻合度等，因此有必要对模拟结果的准确性加以判断。
本文所用两个模型，仅是叶轮模型不同，采用相同的吸水室和压水室。
本文通过模拟计算得到的性能参数与实际测得的结果相比较，如表1：
表1模拟结果与实测结果对照
性能结果
产品名称
流量
扬程
效率
DFSS500-510G（实测）
3451
22.5
71
DFSS500-510G（模拟）
3451
23.2
72
DFSS500-510（实测）
1826
29.6
60
DFSS500-510（模拟）
1826
24.6
60.5
注：
本文是以试验数据为基础，进行对比。
通过上表，可以看出，在流量相等的条件下，实测的扬程和效率与模拟得到的结果吻合性好，特别是效率相差不超过2%，证明该模拟结果可信。
三．网格划分结果
双吸泵的过流部件为：
吸入室、叶轮、压水室，三部分均采用四面体非结构网格进行网格划分，网格划分结果和网格质量如图1，划分网格数如表2，图2为模型计算收敛情况：
（a）吸水室（b）叶轮
（c）压水室
图1网格划分结果和网格质量
图2计算收敛情况
表2模型各部分网格数
过流部件
吸水室
叶轮
压水室
576654
549887
529801
网格数
约88万
约20万
约64万
四．数值模拟结果
4.1压力云图
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
图3整场静压分布
从图3可以看出，从吸水室、叶轮到压水室，压力逐渐由负值变为正值，符合能量转换规律。
DFSS500-510G的高压区集中在压水室扩散段，在第3～5断面之间也有少量高压区，该区是由于微量流体撞击壁面造成的；DFSS500-510的高压区由第3断面一直延伸到压水室出口，说明流体撞击壁面和产生回流的区域较为严重，致使DFSS500-510压力分布不均，其水力损失要比DFSS500-510G大，这也是DFSS500-510效率低的一个原因。
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
图4整场静压分布切片
图4是以模型的对称中心面做切片得到的静压分布图，图中DFSS500-510G的压力分布在每个区域都非常均匀，DFSS500-510则不同，由压水室的第1断面起，压力分布都非常不均匀，这同样证明了上面的结论。
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
图5叶轮静压分布
图5为两模型的叶轮静压分布，两模型由叶轮进口到出口压力逐渐增大，在叶轮轮缘处分布少量高压区，叶轮进口背面附近的压力最小，并呈现负压，这与泵易发生气蚀的部位相吻合。
4.2流线和矢量分布
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
（c）DFSS500-510G（d）DFSS500-510
图6叶轮和压水室流线
图6为两模型叶轮与压水室流线情况。
DFSS500-510G的叶轮流线由进口到出口过渡顺滑，没有发生乱流现象，而DFSS500-510在叶轮出口区域，流线并不与后盖板面相平行，而是发生了偏离，即叶轮区域发生乱流现象；叶轮处的流线情况直接影响压水室的流线情况，DFSS500-510G压水室由第1断面到出口，除有少量流线与壁面不平行外，过渡顺滑，而DFSS500-510压水室由于受到叶轮的影响，由第3断面起，流线出现交叉和乱流现象。
由于叶轮和压水室相互作用，压水室的乱流将会进一步加剧叶轮区域的流动情况，这也是能量损失的一个原因。
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
图7压水室隔舌处的矢量
本文双吸泵的压水室采用蜗壳形式，则隔舌区域的流动情况对效率的影响较大。
图7为两模型压水室隔舌处的速度矢量，从图中可以看出，DFSS500-510G中的液体无论流向第1断面还是扩散段，流动非常顺畅，没有出现对隔舌的冲击和漩涡，而DFSS500-510的矢量非常乱，不但对隔舌有冲击，而且产生了漩涡。
上述现象发生的原因是由于叶轮与涡室两者结合处液体过渡不良造成的，由于本文的涡室是相同的，所以DFSS500-510G的叶轮设计符合流动规律，DFSS500-510的叶轮设计不符合流动规律，这是DFSS500-510的效率低于DFSS500-510G的主要原因。
五．性能曲线
（a）DFSS500-510G（b）DFSS500-510
图8试验性能曲线
图8为两模型试验性能曲线，从
曲线可以看出，两个模型泵的关死点扬程基本相同，DFSS500-510G的最大流量大于4000
，而DFSS500-510的最大流量小于3000
，DFSS500-510G的
曲线，扬程随流量增加逐渐减低，DFSS500-510在流量为0～1000
区域，出现微量驼峰，由于同一个扬程对应几个流量，泵处于不稳定运行区。
建议采用减小DFSS500-510叶轮出口或增大其叶轮直径的方法，消除
曲线驼峰。
从
曲线可以看出，DFSS500-510G的最高效率点比DFSS500-510高十几个百分点，并且DFSS500-510G的高效区域为2300
～3500
，高效区很宽；DFSS500-510高效区为1400
～2200
，相对DFSS500-510G较窄。
六．叶轮水力参数对流量的影响分析
6.1叶轮水力参数对流量的影响的模拟方案
影响水泵流量的因素有很多，由于本文的吸水室和压水室采用同一几何模型，所以只需要研究叶轮的水力参数对流量的影响即可。
现把两模型可能影响泵流量的叶轮水力参数列表如下：
表3可能影响泵流量的叶轮水力参数对比一览表
DFSS500-510
DFSS500-510G
叶轮外径D2（mm）
480
530
叶轮出口宽度b2（mm）
193
160
叶轮进口直径Dj（mm）
405
390
叶片进口安放角β1（°）
13.95
29.38
叶片出口安放角β2（°）
25.8
24
叶片数Z
6
6
从表3中可以看出叶片的出口安放角仅相差1.8°，叶片数相同，因此仅对叶轮外径D2，出口宽度b2，叶轮进口直径Dj，叶片进口安放角β1对泵流量影响情况进行研究。
模拟方案如下：
影响大
图9影响流量因素的模拟方案
注：
该模拟方案基本原则是：
其它参数相同，只有一个参数不同，对两模型泵进行研究。
6.2β1影响流量情况
由于ＣＦＸ受到边界条件设置的限制，一般可以通过设置进口流速和出口压力，对泵的扬程和效率进行模拟，对性能参数—流量的模拟不易获得。
本文通过模型的最大流量来评判叶轮水力参数对流量的影响。
本文所指最大流量，指扬程在小于１m时，所得对应流量为泵的最大流量。
表4为β1影响流量情况。
表4β1影响流量情况
性能参数
型号
流量
（
）
扬程
（
）
DFSS500-510G
5000
0.2
DFSS500-510
3000
0.05
流量变化率（%）
40
注：
两模型此时的水力参数如下表5：
表5
型号
水力参数
DFSS500-510
DFSS500-510G
叶轮外径D2（mm）
480
480
叶轮出口宽度b2（mm）
160
160
叶轮进口直径Dj（mm）
390
390
叶片进口安放角β1（°）
13.95
29.38
从表4中可以看出：
叶片进口安放角β1由13.95°增加到29.38°，最大流量增加了40%，说明进口安放角β1对流量的影响非常大。
该模拟方案停止。
这与《泵与风机》P73中叶片进口安放角对流量影响相符。
叶片进口安放角增大时，扬程与流量特性曲线趋于平缓，效率曲线向大流量方向偏移。
注意：
进口安放角不宜太大，否则会导致泵的效率和抗气蚀性能下降。
6.3叶轮外径对流量的影响
将DFSS500-510G叶轮外径由480mm（与DFSS500-510叶轮外径相同）增加到530mm其最大流量变化情况，如表6
表6叶轮外径D2影响流量情况
性能参数
叶轮外径（mm）
流量
（
）
扬程
（
）
480
4900
0.95
530
5500
0.62
流量变化率（%）
10.9
由表6可以看出：
叶轮外径由480mm增加到530mm，流量增加10.9%，叶轮外径在一定程度上影响流量增加。
这与关醒凡《现代泵技术手册》P47的切割定理相一致。
6.4叶轮出口宽度对流量的影响
将DFSS500-510叶轮出口宽度由193mm减小到160mm（与DFSS500-510G叶轮出口宽度相同）其最大流量变化情况，如表7
表7叶轮出口宽度b2影响流量情况
性能参数
叶轮出口宽度（mm）
流量
（
）
扬程
（
）
193
3450
0.67
160
3150
0.987
流量变化率（%）
-8.7
由表7可以看出DFSS500-510叶轮出口宽度由193mm减小到160mm，流量减小8.7%
这与关醒凡《现代泵技术手册》P303中叶轮出口宽度对流量影响相一致。
当叶轮出口宽度减小，流量是减小的。
6.5叶轮进口直径Dj对流量的影响
将DFSS500-510叶轮进口直径由405mm减小到390mm（与DFSS500-510G叶轮进口直径相同）其最大流量变化情况，如表8
表8叶轮进口直径Dj影响流量情况
性能参数
叶轮进口直径（mm）
流量
（
）
扬程
（
）
405
3450
0.67
390
3100
0.297
流量变化率（%）
-10.1
由表8可以看出DFSS500-510叶轮进口直径由405mm减小到390mm，流量减小10.1%.
七．结论
1.影响流量方面：
通过叶轮直径，出口宽度，叶轮进口直径和叶轮进口安放角的研究发现，β1是影响DFSS500-510的最大流量小于DFSS500-510G的最主要的因素，其次是由于DFSS500-510叶轮外径小于DFSS500-510G叶轮外径，叶轮出口宽度和叶轮进口直径在其它条件相同的情况下，增加了DFSS500-510的最大流量，只是被前两者对流量的影响所抵消。
2.影响效率方面：
DFSS500-510在较低流量（
）的工况下，造成叶轮和涡室两个区域出现较多的冲击损失和漩涡，使得效率很低；对DFSS500-510重新改进设计叶轮，测试最高效率点提高十几个百分点。
对于双吸泵这样的耗电大户来说，有利于节能降耗。
1.流量判定以额定扬程的一半作为依据，易于试验测试验证。
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