混裝不同葉輪的多級離心泵駝峰性能研究

楊順銀，李林鋒，陳先培

（嘉利特荏原泵業有限公司，浙江瑞安 325204）

0 引言

離心泵在國民經濟中應用廣泛，若其性能曲線存在駝峰，對泵的運行是相當不利的。很多相關泵的標準都明確規定，離心泵性能曲線應具有穩定性，不能存在駝峰，即大流量點至零流量點的揚程曲線應呈連續上升趨勢，關死點揚程最高。在離心泵產品設計過程中，產生駝峰的原因主要有2 種情況：（1）低比轉數泵的揚程-流量曲線容易出現駝峰，這是因為一方面低比轉速泵內流速高，沖擊損失值大，另一方面，低比轉速泵為了減少圓盤摩擦損失多采用較大的葉片出口角以減少外徑，出口角大，理論揚程流量曲線平，容易出現駝峰［1］；（2）當泵的流量較小時，葉輪流道較窄，為了制造方便，往往采用加大葉輪出口寬度的方法進行設計，實際上也相當于加大流量設計，而泵卻在小流量工況運行，容易出現駝峰現象［2-3］。

國內外學者對離心泵揚程-流量曲線的穩定性做了大量研究。牟介剛等［4］通過理論揚程與葉輪內損失的理論分析和數學推導，對特性曲線形狀進行初步預測，得出特性曲線產生駝峰的判據，并提出減小出口角度、出口寬度、葉片數能夠提升特性曲線的穩定性。楊軍虎等［5］提出影響離心泵揚程-流量曲線穩定的因素主要順序是葉片進口邊前移、葉輪出口邊斜切［6-7］、葉輪軸面傾斜、葉片出口角度、葉片包角。馬皓晨等［8-11］對低比轉數離心泵性能曲線產生駝峰現象的內流機理進行了研究。但目前很少有人研究除通過改進單個葉輪水力之外的方法來改善泵的揚程駝峰［12-16］。本文將通過數值模擬與試驗相結合的方法，探討多級泵通過混裝兩種不同水力的葉輪來改善揚程駝峰，該方法更加方便靈活，且不會因改善駝峰而犧牲泵的效率。

1 2 種葉輪設計

1.1 研究對象

以某臺雙殼體多級離心泵為研究對象，如圖1 所示。其參數為流量Q=338 m3/h、揚程H=950 m、轉速n=2 985 r/min、效率η=75%、級數7 級、比轉速為84。為達成研究目的，采用相似換算法設計了2 種葉輪在相同的蝸殼內進行混裝，并通過數值模擬及工廠試驗進行驗證。

圖1 雙殼體離心泵Fig.1 Double casing centrifugal pump

1.2 2 種葉輪水力設計

2 種葉輪水力模型分別如圖2，3 所示，葉輪A 為得到較高的揚程和效率，采用了5 葉片窄流道及較大的葉片出口角和較小的葉片包角，但會有駝峰；葉輪B 為了獲得連續下降的揚程曲線，采用了3 葉片寬流道及較小的葉片出口角和較大的葉片包角。具體參數見表1。

表1 2 種葉輪設計參數Tab.1 Two kinds of impeller design parameters

圖2 葉輪A 水力模型Fig.2 Impeller A hydraulic model

圖3 葉輪B 水力模型Fig.3 Impeller B hydraulic model

2 數值模擬

2.1 流體域模型與邊界條件設置

通過SolidWorks 三維軟件對多級泵流體域進行建模，流體域主要包括葉輪A、葉輪B 和蝸殼等主要水力部件，流體域模型如圖4 所示。用Ansys CFX 軟件進行定常數值模擬計算，采用RNGk-ε湍流模型，入口設置為壓力入口，出口設置為質量流量出口邊界條件，壁面設置為光滑無滑移壁面。求解器選用SIMPLE 算法，收斂精度為10-4。

圖4 流體域模型Fig.4 Fluid domain model

2.2 網格無關性檢查

使用Workbench Mesh 模塊對流體域模型進行網格劃分，通過網格無關性分析，在網格數量達到1.64×106后，繼續加密網格模型對計算結果影響不大，反而會增加模型計算的時間。模型流體域各部件網格數量見表2。

表2 不同流體域網格數量Tab.2 Number of grids in different fluid domains

2.3 數值模擬結果

通過Ansys CFX 軟件進行模擬計算，得到2種葉輪的模擬性能曲線如圖5 所示。

圖5 葉輪A，B 的單級模擬性能曲線Fig.5 Performance curves of single stage simulation of impeller A and B

通過圖5 可以看出，2 種葉輪水力性能各有優缺點：5 葉片的葉輪A 具有較高的揚程和效率，但在小流量點的揚程有明顯的駝峰；3 葉片的葉輪B 在額定點的揚程和效率均低于葉輪A，但具有連續上升的揚程曲線。

3 試驗驗證

3.1 葉輪性能驗證

在具有國家級Ⅰ精度的大型泵試驗臺上進行工廠試驗驗證。分別將葉輪A 和葉輪B 裝配后，進行了2 次性能試驗，試驗結果如圖6 所示。

圖6 葉輪A，B 的單級試驗性能曲線Fig.6 Performance curves of impeller A and B in single stage test

從圖6 中可以看出，2 種葉輪的試驗結果與模擬值基本一致。對比2 種水力模型在額定流量點Q=338 m3/h 時的性能發現，葉輪A 實測效率為76%，葉輪B 為75%，均略低于模擬值；而葉輪A 和葉輪B 的實測揚程均略低于模擬值，見表3。出現這種情況的原因主要與葉輪鑄造、模擬條件等因素有關，其偏差屬于正?，F象。

表3 額定點試驗結果與模擬值對比Tab.3 Comparison of the test results at rated points with the simulated values

3.2 混裝葉輪性能試驗

3.2.1 混裝葉輪布置

為了驗證混裝葉輪后泵的性能及駝峰情況，將2種葉輪按一定數量比例裝配于7級研究泵上。葉輪A，B 混裝布置原則，主要是根據需要達到泵的性能參數、泵的級數及2 種葉輪水力特性進行排列組合，為了轉子質量的均衡及液體流動的規律性，宜采用間隔布置。本次為7 級泵，根據研究目標，葉輪按4 個A 葉輪和3 個B 葉輪混裝，布置如圖7 所示。

圖7 葉輪A，B 的布置Fig.7 The layout diagrams of impeller A and B

3.2.2 混裝葉輪試驗

對裝配好的7 級泵在工廠進行全性能試驗，試驗結果如圖8 所示。當額定流量點Q=338 m3/h時，揚程H=960 m，效率η=75.7%，滿足設計要求。

圖8 混裝葉輪性能試驗Fig.8 Performance test of mixed impeller

3.2.3 混裝葉輪與單種葉輪試驗對比

7 級泵混裝葉輪與單獨裝A，B 葉輪的性能試驗結果對比如圖9 所示，可以看出，混裝葉輪后的揚程曲線是連續上升的，沒有駝峰；其額定流量點Q=338 m3/h 時的揚程位于A，B 曲線之間，而效率為75.7%，與A，B 葉輪的效率幾乎重合。說明2種水力的葉輪混裝后，較好地消除了揚程曲線的駝峰，但效率卻沒有降低。該方法類似于2 臺不同特性的泵串聯運轉，使其綜合性能滿足設計需求。相對于試驗后再通過改變單個葉輪的葉片數、葉片包角、葉輪出口寬度等參數來改善揚程駝峰而犧牲效率的方法具有較大的優勢。

圖9 混裝葉輪與單種葉輪試驗對比Fig.9 Test comparison between mixed impeller and single impeller

4 結論

（1）通過葉片數為5、出口寬度為23.7 mm 的A 葉輪與葉片數為3、出口寬度為33.6 mm 的B葉輪進行混裝，較好地改善了多級離心泵小流量區域的揚程駝峰。

（2）效率為76%的A 葉輪與效率為75%的B 葉輪混裝后泵效率為75.7%，不會因改善駝峰而犧牲泵的效率。

（3）相較傳統的通過改變單個葉輪水力模型的葉片數、葉片出口角、葉輪出口寬度等參數來改善揚程駝峰的方法，更加方便靈活，且不需延長制造周期。