多级离心泵级间导叶影响的CFD模拟*

朱大顺， 纪国法， 程卫琴

(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430100；2. 中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司， 江西 南昌 330000)

多级离心泵级间导叶影响的CFD模拟*

朱大顺1， 纪国法1， 程卫琴2

(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430100；2. 中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司， 江西 南昌 330000)

为了研究多级离心泵内部各级间的相互作用与影响， 采用RNGk-ε紊流模型， 基于CFD方法借助CFX软件求解雷诺时均N-S方程， 对多级离心泵内部流动进行三维流动数值模拟， 获得了多级离心泵内部流场， 分析了多级离心泵流道内的瞬时流动特性. 模拟结果表明： 流型的均匀性对离心泵各级效率有明显的影响； 首级叶轮室进口断面的流速分布对整体多级泵叶轮径向力的不平衡分布影响甚大， 在设计工况下， 随着离心泵叶轮级数的增加， 叶轮室进口断面旋度增大， 多级泵的效率也随之降低， 叶片径向力逐渐增大； 多级离心泵内各级叶轮进口旋度随流量增大而增大， 而叶轮径向不平衡力随流量减小而增大. 通过对多级离心泵内部流动特性进行三维数值模拟， 掌握多级离心泵内部流动规律， 可以为离心泵的水力优化设计等提供理论指导.

多级离心泵； 级数； 数值模拟； 流场

多级离心泵拥有工作效率较高、 扬程大的特点， 已经广泛应用于石油输送、 水利、 农业灌溉、 矿用排水、 森林消防等各个行业[1-2]. 通过增加叶轮串联数可以满足更高扬程的需求， 同时提升了多级离心泵的工作性能. 当叶轮数增加到一定程度时， 多级泵内部叶轮与导叶之间存在动静干涉， 且该干涉作用可能由于共振而增强[3-4]， 严重制约了多级离心泵的性能.

康灿[5]等对多级离心泵内部级间影响及压力脉动特征进行了计算分析. 郭鹏程等[6]进行了离心泵内叶轮与蜗壳间耦合流动的三维紊流数值模拟， 证实了蜗壳与叶轮间相互作用引起的整机流场的不对称性， 揭示了离心泵内部的重要流动特征. 程云章等[7]研究了叶片结构对离心泵性能的影响， 得出提高叶片扭曲度能提高离心泵效率的结论. 曹卫东等[8]分析了两级离心泵的内部非定常压力分布特性， 结果表明， 作用在叶轮上的径向力呈现脉动状态， 其矢量分布图基本呈圆形分布， 作用在叶轮上的扭矩呈现出以叶片通过正导叶频率为主频的周期性波动； 叶片和导叶间动静干涉是影响压力和扭矩波动的主要因素. Q H Zhang等[9]改进了多级离心泵的导叶设计. 蒋鸿等[10]对多级离心泵进行了模拟与计算， 并对误差进行了分析. 邵春雷等[11]进行了离心泵在设计工况下的内流场的数值模拟， 并进行了非定常的分析， 发现离心泵的水力性能受进出口压力的影响而呈现出非定常和非对称性. 吴大转等[12]对多级离心泵半开式叶轮进行了参数优化研究， 得出超低比转速多级离心泵的改进优化规律.

目前学者对于多级离心泵整机的全面性能预测不多， 特别是定量分析各个过流部件对多级离心泵性能的影响方面， 有针对性地进行优化改型仍存在很大的空白， 极大地限制了多级泵的发展和应用. 本文通过CFX软件对多级离心泵进行模拟， 分析了各级叶轮的速度场， 以及在不同质量流量工况下各级叶轮的速度、 径向力的影响. 针对流型的变化对叶轮的工作效率的影响进行模拟， 得知入口的流体均匀性对离心泵的工作性能有关键性的作用. 对多级离心泵的全面研究， 以及提高对多级离心泵的认识和对其规律的掌握是亟待开展的工作.

1 多级离心泵计算模型

1.1 模型结构设计

多级离心泵一般采用径向导叶[13-14]， 其流道是由正导叶、 环形空间和反导叶三部分组成. 正导叶起着压水室作用， 反导叶除了起降低速度、 消除液体旋转作用外， 还将液体引入下一级叶轮， 三者环环相扣. 结构如图 1 所示.

图 1 多级离心泵导叶示意图Fig.1 Multistage centrifugal pump vanes schematic

参照泵设计手册， 设计了2号叶轮和2级径向导叶， 叶轮与导叶两两交叉组合， 对该组合进行模拟计算. 叶轮如图 2 所示.

图 2 多级离心泵叶轮示意图Fig.2 Multistage centrifugal pump impeller schematic

2个叶轮和2个导叶组合， 在CFX前处理器中组合各部件， 如图 3 所示.

图 3 多级离心泵流体域装配图Fig.3 Multistage centrifugal pump assembly drawing fluid domain

1.2 模型网格

叶轮网格在Turbgrid中生成， 剩余部分网格在ICEM中完成， 末级导叶及吐出段采用非结构的四面体网格生成， 其余均为结构化的六面体网格. 各部分网格节点及网格数如表 1 所示， 网格质量满足计算要求.

表 1 各部件节点数和网格数

1.3 控制方程和边界条件

数值模拟的控制方程[15]为雷诺平均N-S方程：

1) 连续性方程

式中：ρ为流体密度；ui为速度分量.

2) 动量守恒方程

式中：p为平均静压强；μ为动力粘度系数；Si为动量守恒方程的广义源项.

3) 能量守恒方程

式中：T为流体温度；κ为流体传热系数；cp为比定压热容；ST为黏性耗散项.

采用RNGk-ε紊流模型求解湍动能和湍动能耗散率， 并构建它们与湍流黏性系数的关系. 其中湍动能方程为：

湍动能耗散率方程

对于边界条件， 采用质量流进口和压力出口. 边壁采用无滑移壁面， 近壁区速度分布采用标准壁面函数处理； 叶轮旋转域与进出口及导叶固定域交界面采用Frozen Rotor处理. 叶轮转速为1 480 r/min， 收敛残差设为10-4.

2 均匀入流计算结果与分析

对于多级离心泵， 各级流型的不均匀性对叶轮的径向力和效率有较大的影响， 本节将对比首级、 次级在均匀流和非均匀流状态下叶轮效率随流量的关系. 为此将叶轮室与导叶体独立取出， 单独计算均匀入流条件下泵的性能. 因首级叶轮与其他不一致， 单独进行计算. 进口设置为质量流入口， 出口设置为开敞式出口.

图 4 均匀入流计算模型图Fig.4 Uniform inflow model diagram

根据计算结果分别得到首级叶轮和次级叶轮的效率曲线， 如图 5 所示.

对比结果显示， 均匀入流与非均匀入流条件下叶轮的流量效率曲线均保持相似， 但是非均匀流的效率均比均匀流要低. 在同流型的情况下， 对比首级叶轮与次级叶轮， 可以看出次级叶轮的效率比首级要高.

均匀入流条件下首级叶轮的性能提升的比较少， 设计流量点提高叶轮效率为2.2%. 而第二级叶轮设计流量工况可提高8.3%， 并且在小流量工况提升得更为明显. 首级叶轮进口的断面均匀度与速度加权平均角明显高于其余叶轮， 所以在改为均匀入流条件下， 效率上升空间有限. 而后面叶轮的进口条件较差， 改善进口对性能的影响较大.

图 5 叶轮均匀入流与非均匀入流效率对比Fig.5 Comparison of impeller uniform inflow and nonuniform inflow efficiency

3 计算结果与分析

3.1 速度场分析

取设计工况下的各级叶轮进口断面， 进行断面速度和旋度的模值， 不同工况下首级和次级叶轮进口断面的平均速度和旋度如图 6 所示.

图 6 速度、 旋度云图Fig.6 Speed and curl cloud chart

由图 6 可以看出， 首级叶轮基本上为无旋流动， 但是次级叶轮在叶轮进口处有明显的有旋流动. 首级和次级平均速度绝对值相差不大， 且速度流动方向大致相同.

如图 7 结果显示， 总体上各级叶轮进口的旋度分布随着流量的增加而增加. 首级叶轮进口的旋度相对较小， 且随流量的变化增加不大. 流量增加时， 流速增加， 水流的脱流角度减小， 进而引起旋度的增加.

3.2 叶轮径向力分布

由于多级离心泵的各级进口断面速度分布不均， 因此各通道内的流态势必会不一致， 从而导致各级叶片的运行工况不尽相同， 叶片的压力分布， 叶轮的径向力分布也因此不一致.

各级叶轮的径向力随质量流量变化曲线， 如图 8 所示， 可以看出各级叶轮的径向力分布均随着流量的增加而减少. 在同流量工况下， 随着叶轮级数增加， 叶轮的径向力逐渐增大并趋于稳定. 但图中首级与次级叶轮也随叶轮的径向力呈现相反的情况. 因入流速度明显集中偏向一侧， 首级叶轮的径向力大于第二级叶轮， 但是小于第三级叶轮， 首级叶轮的径向力不受其他叶轮的影响， 变化趋势较其余的叶片平缓. 由于各级叶轮进口流态的不均， 各个叶片吸力面与压力面的压差值不同， 做功不一致， 导致叶轮径向力分布不均.

3.3 叶轮效率对比

分别取出计算工况的多级离心泵叶轮的效率值整理成图 9. 从图 9 中可以看出第二、 三、 四、 五级叶轮的效率曲线的整体趋势基本一样， 但是随着级数的增加效率逐渐较小. 从前面的分析可知， 叶轮进口的旋度随着叶轮级数的增加而增加， 叶轮的内部流动也越来越差， 每一级叶轮的出流情况不同造成了导叶能量的回收和整流效果变差， 这也是造成叶轮效率不同的原因.

图 9 叶轮干涉影响的效率对比图Fig.9 Interference effect of the impeller efficiency comparison chart

4 结 论

1) 多级离心泵入流条件的好坏对离心泵的工作效率有极大的影响. 通过模拟均匀入流和非均匀入流条件下首级与次级叶轮的内流场可知， 设计工况下首级叶轮理论上可提高2.2%， 次级可提高8.3%.

2) 随着多级离心泵的叶轮级数的增加， 首级进入次级会发生明显的旋流， 随后的各叶轮室进口断面的旋度变化不大， 叶轮的径向力逐渐增加.

3) 多级离心泵首级叶轮对次级叶轮有较强的影响， 首级的设计直接影响到整个离心泵的工作性能和工作效率.

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EffectofMultiStageCentrifugalPumpontheGuideVaneBasedonCFDSimulation

ZHU Da-shun1, JI Guo-fa1, CHENG Wei-qin2

(1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources Ministry of Education,Yangtze University, Wuhan 430100, China；2. AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company Ltd., Nanchang 330000, China)

In order to study the interaction and impact of multi-stage centrifugal pump between the various levels，using RNGk-εturbulence model and CFX software to calculate Reynolds time-averaged Navier-Stokes equations based on CFD method, carry out the numerical simulation of three-dimensional flow in multistage centrifugal pump, has obtained the flow field inside the multistage centrifugal pump and analyzed the transient flow characteristics of the multistage centrifugal pump.The simulation results show that: the uniformity of the flow pattern has obvious effect on the efficiency of centrifugal pump; the flow velocity distribution of the inlet section of the first impeller chamber has a great influence on the unbalanced distribution of the radial force of the impeller of the whole multistage pump. Under the design condition, the inlet section of the impeller chamber increases with the increase of the centrifugal pump impeller stage, the efficiency of the multistage pump also decreases, and the radial force of the blade increases gradually; multi-stage centrifugal pump impeller at all levels of imports with the increase in flow rate increases, the impeller radial imbalance force increases with the flow decreases. Through the three-dimensional numerical simulation of the internal flow characteristics of multi-stage centrifugal pump, master the internal flow law of multi-stage centrifugal pump, and provide theoretical guidance for hydraulic optimization design of centrifugal pump.

multistage centrifugal pump; series; numerical simulation; flow field

1673-3193(2017)03-0322-05

2016-08-21

国家自然科学基金资助项目(51378077)； 湖北省教育厅科技计划重点资助项目(20131205)

朱大顺(1991-)， 男， 硕士生， 主要从事油气储运方面的研究.

纪国法(1985-)， 男， 讲师， 主要从事油气田开发的研究.

TH311

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.013