作者:謝小青、丁鵬、李艷杰
摘 要:葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件,涉及到人們關(guān)注的泵的整體能效和運(yùn)行可靠性。本文從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及同行們的研究成果來簡(jiǎn)要談一談如何通過優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能,僅供參考。
關(guān)鍵詞:離心泵 葉輪 優(yōu)化 吸入性能 水力性能
01
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此,首先必須要弄清楚優(yōu)化的目的:改善吸入性能?提高泵的效率?調(diào)整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據(jù)具體需要進(jìn)行優(yōu)化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪,另外,還包括與其配合的蝸殼/導(dǎo)葉等過流零件。其實(shí),對(duì)于離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì),作者在微信公眾號(hào)《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及,如:《全面理解汽蝕及其對(duì)離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速》、《葉輪幾何參數(shù)對(duì)離心泵性能的影響》等等。
流體機(jī)械屬于一門半理論、半經(jīng)驗(yàn)的學(xué)科,還存在很多無法準(zhǔn)確設(shè)計(jì)/模擬/預(yù)測(cè)的地方,例如不同結(jié)構(gòu)、不同溫度、不同泵送介質(zhì)下無法準(zhǔn)確地模擬出流體真實(shí)的流態(tài)及其對(duì)泵性能的影響。因此,本文只能從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及同行們的研究成果來簡(jiǎn)要談一談如何優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
02
改善吸入性能
經(jīng)常會(huì)看到來自各種專家的期刊文章,介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而,對(duì)于普通工程師和現(xiàn)場(chǎng)操作人員來說,汽蝕現(xiàn)象的診斷及避免/消除并不簡(jiǎn)單,往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式:前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動(dòng)力、賦予流體高旋轉(zhuǎn)力及防止脫流方面更有效,因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對(duì)于泵本體來說,泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口(eye處)的幾何形狀及面積的影響。葉輪入口處的許多幾何因素都會(huì)影響汽蝕,例如入口和輪轂直徑、葉片進(jìn)口角和上游液流的入射角、葉片數(shù)量和厚度、葉片流道喉部面積、表面粗糙度、葉片前緣輪廓等。另外,還與葉輪葉片外徑和導(dǎo)葉(對(duì)于導(dǎo)葉式泵)或蝸舌(對(duì)于蝸殼式泵)之間的間隙大小相關(guān)。
多年來,許多作者研究并報(bào)告了上述一些因素對(duì)泵汽蝕的影響。在 Schiavello 和 Visser(2008年) 文獻(xiàn)中可以找到涵蓋汽蝕所有方面的優(yōu)秀教程。Palgrave 和 Cooper,1986 年,對(duì)汽蝕進(jìn)行了視覺研究,并提出了基于入口角和入口直徑估計(jì) NPSHi 的一般表達(dá)式。Schiavello等人,1989年,對(duì)汽蝕試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了視覺研究,并比較了具有不同葉尖與輪轂無沖擊的葉輪設(shè)計(jì)對(duì)其吸入性能的影響。Hergt等人,1996年,記錄了不同葉輪直徑、葉片入口角度和葉片數(shù)量的葉輪的吸入性能。
1)葉輪入口直徑/入口面積
為了改善離心泵的吸入性能,設(shè)計(jì)人員普遍通過加大葉輪入口直徑的方法來實(shí)現(xiàn)。今天,這種設(shè)計(jì)方法在離心泵的工程設(shè)計(jì)中還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙相同的情況下,吸入性能越好(葉輪入口面積越大,吸入比轉(zhuǎn)速值越高),則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大,這意味著泄漏量越大,而泵的效率就越低。
不過,對(duì)于通過加大葉輪入口直徑來改善吸入性能的方法,必須特別注意:不能導(dǎo)致吸入比轉(zhuǎn)速值嚴(yán)重超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(如UOP 5-11-7)規(guī)定的值,否則將導(dǎo)致泵的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間變得很窄。
2)葉片前緣形狀
Ravi Balasubramanian等對(duì)不同的葉輪葉片前緣形狀進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,只要滿足前緣葉片厚度的機(jī)械和制造約束,采用拋物線輪廓可以提高葉輪的吸入性能。橢圓輪廓的吸入性能次之,該形狀是前緣的默認(rèn)輪廓選擇,因?yàn)榇溯喞梢暂p松滿足葉片前緣厚度的機(jī)械和制造限制[1]。
3)葉輪蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑
由于葉輪進(jìn)口部分的液流在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用的影響,靠前蓋板處壓力低、流速高,造成葉輪進(jìn)口速度分布不均勻。適當(dāng)增加蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑,有利于減小前蓋板處(葉片進(jìn)口稍前)的絕對(duì)速度和改善速度分布的均勻性,減小泵進(jìn)口部分的壓力降,從而降低NPSHR,提高泵的抗汽蝕性能。
4)葉片進(jìn)口邊位置和進(jìn)口部分形狀
葉片進(jìn)口邊輪轂側(cè)向吸入口方向延伸,即采用后掠式的葉片進(jìn)口邊(進(jìn)口邊不在同一軸面,外緣向后錯(cuò)開一定的角度),可使輪轂側(cè)液體流能夠提前接受葉片的作用、并增加壓力。
葉片進(jìn)口邊前伸并傾斜,使得各點(diǎn)的圓周速度不同,一般軸面速度沿進(jìn)口邊近似均勻分布,則進(jìn)口邊各點(diǎn)的相對(duì)液流角不同。為了符合這種流動(dòng)情況,減小沖擊損失,葉片進(jìn)口應(yīng)做成空間扭曲形狀,這就是目前很多低比轉(zhuǎn)速葉輪葉片進(jìn)口部分也做成扭曲葉片的原因[2]。
5)葉片進(jìn)口沖角
設(shè)計(jì)工況采用稍大的正沖角,以增加葉片的進(jìn)口角,減少葉片進(jìn)口處的彎曲,減少葉片的排擠,增加葉片進(jìn)口過流面積,從而改善吸入性能。同時(shí),還會(huì)改善大流量下的運(yùn)行環(huán)境,以減少流量損失。但是,沖角不能太大,否則會(huì)影響效率[3]。
6)葉片入口厚度及光潔度
適當(dāng)減小葉片入口的厚度,并對(duì)葉片入口進(jìn)行修圓,使其接近流線型。減小葉片厚度不僅會(huì)擴(kuò)大葉輪吸入流道的面積、降低流速、增加壓力(葉片進(jìn)口形狀對(duì)壓降影響十分敏感),而且使葉輪和葉片入口部分的表面光潔度得到改善、減少阻力損失。這些措施均有利于改善泵的吸入性能。
7)平衡孔
葉輪上的平衡孔,其中的泄漏對(duì)進(jìn)入葉輪的主流起到一定的破壞作用(平衡孔面積應(yīng)不小于密封間隙面積的5倍,以減小泄露流速,從而減小對(duì)主流的影響)。研究表明,在葉輪上開平衡孔時(shí),將使葉輪后側(cè)的渦流強(qiáng)度降低,其中一些渦流甚至消失,泵的吸入性能得到改善[4]。
8)葉輪出口直徑
葉輪直徑的小幅度減小只會(huì)略微增加NPSHR。但當(dāng)直徑減小5% 至10%時(shí), NPSHR將明顯增加,這是因?yàn)槿~片長(zhǎng)度減小會(huì)增加特定的葉片載荷,從而影響葉輪入口處的速度分布。
注意事項(xiàng):
1)盡量避免采用加大葉輪入口面積的方法來改善吸入性能 - 避免吸入比轉(zhuǎn)速嚴(yán)重超標(biāo)【如,對(duì)于BB2型泵,通常控制在14400(m3/h, m)以內(nèi)】[5],否則極易引起入口回流,導(dǎo)致泵不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域擴(kuò)大。
2)應(yīng)避免出現(xiàn)葉片流道綜合癥汽蝕。這種汽蝕破壞是由于導(dǎo)葉(對(duì)于導(dǎo)葉式泵)或蝸舌(對(duì)于蝸殼式泵)與葉輪葉片外徑之間的間隙太小所引起的。當(dāng)液體流經(jīng)該小通道時(shí),液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化,產(chǎn)生汽泡,然后在較高的壓力下破裂,導(dǎo)致汽蝕。
03
改善水力性能
影響泵水力性能的因素較多,而影響葉輪水力效率的因素主要是各種損失。具體有:
1)葉片數(shù)
就離心泵來說,一般情況下,增加葉片數(shù)可以改善液體流動(dòng)情況,適當(dāng)提高泵的揚(yáng)程。但葉片數(shù)增加后會(huì)減少流道過流面積,導(dǎo)致流速增加、葉片的摩擦損失增加,所以,過多的增加葉片數(shù),不但會(huì)降低效率,并使葉輪的汽蝕性能惡化,還可能導(dǎo)致泵性能曲線出現(xiàn)駝峰[6]。另外,葉片數(shù)的增加,會(huì)使揚(yáng)程特性曲線(從額定點(diǎn))至關(guān)死點(diǎn)的上升趨勢(shì)變得平緩;相反,隨著葉片數(shù)的減少,揚(yáng)程特性曲線會(huì)變得陡峭。通常,離心泵葉輪葉片數(shù)較多地選用5~7片。
2)長(zhǎng)短葉片
研究表明,泵葉輪中短葉片和長(zhǎng)葉片之間的任何組合都將有利于泵效率的提高,因?yàn)樗梢杂行ё柚谷魏斡捎谌~輪入口附近流速不均勻分布而被稱為尾跡流的發(fā)展[7]。
3)扭曲葉片
試驗(yàn)表明,扭曲葉片的泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近及大流量區(qū)域要比圓弧葉片的泵具有更高的效率。同時(shí),具有扭曲葉片的泵其關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程要比圓弧葉片高(會(huì)改變揚(yáng)程特性曲線至關(guān)死點(diǎn)的上升趨勢(shì),特別是對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵,這可以有效改善/消除駝峰)。
4)葉輪出口直徑
API 610標(biāo)準(zhǔn)不允許泵使到最大葉輪直徑,要求通過切割葉輪來滿足泵所需要的性能。如果泵選型偏大,切割葉輪是降低產(chǎn)生的壓力和流量的一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的方法。雖然切割葉輪比使用節(jié)流閥來滿足所需的運(yùn)行工況效率更高,但由于葉輪葉片被切短,葉輪葉片與泵殼體之間的間隙變大,因此其效率通常會(huì)低于全尺寸葉輪。
對(duì)于徑向流葉輪,其直徑不應(yīng)減小到最大設(shè)計(jì)直徑的70% 以上。泵葉輪直徑的減小也會(huì)改變出口流道寬度、葉片出口角度和葉片長(zhǎng)度。葉輪直徑從最大直徑減小得越多,泵效率將隨著葉輪的切割而降低得越多,且最高效率點(diǎn)會(huì)往小流量方向偏移。
04
其它參數(shù)對(duì)泵性能的影響
1)葉輪葉片寬度
隨著葉片寬度的增加,液體壓力下降,因此揚(yáng)程會(huì)隨著葉輪葉片寬度的增加而減??;葉片寬度對(duì)最佳效率點(diǎn)的效率影響通常不明顯(隨著葉片寬度的增加,最佳效率點(diǎn)的效率可能會(huì)略有增加),但高效區(qū)會(huì)隨著葉片寬度的減小而向小流量方向偏移。效率的影響在較大體積流量下更顯著,換句話說,隨著葉片寬度的增加,效率曲線在最佳效率點(diǎn)的右側(cè)會(huì)迅速下降。
2)葉輪出口葉片角
出口葉片角越大,在給定轉(zhuǎn)速下?lián)P程越高,但代價(jià)是效率和磨損性能越低。較低的出口葉片角增加了效率和葉片長(zhǎng)度,但代價(jià)是降低了揚(yáng)程。因此,出口葉片角通常需要進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)這些因素的平衡[8]。揚(yáng)程隨出口葉片角的增大而增大,這可以通過相對(duì)于增加的出口葉片角度增加的出口橫截面尺寸、從而導(dǎo)致葉片之間流道中的液體壓降的減小來解釋。文獻(xiàn) [9]研究認(rèn)為,最高效率值隨出口葉片角的增大而降低。當(dāng)出口葉片角較小時(shí),在最高效率點(diǎn)右側(cè)泵的效率會(huì)迅速下降。
3)葉輪出口分流葉片
在葉輪出口側(cè)增加分流葉片將增加泵的揚(yáng)程和水力效率,且隨著分流葉片長(zhǎng)度的增加,揚(yáng)程和效率增加的幅度越大[10]。分流葉片的長(zhǎng)度通常不超過原始葉片長(zhǎng)度的0.5倍,具體與葉輪的大小、葉片的形狀及葉片數(shù)等相關(guān)。
4)葉輪葉片出口邊修整
磨銼葉輪出口葉片背面,擴(kuò)大了葉輪出口流道面積,從而增加了葉輪的流量。隨著出口流道面積的擴(kuò)大,揚(yáng)程也會(huì)增加,泵的最佳效率點(diǎn)會(huì)向大流量側(cè)偏移。
05
特別說明
隨著計(jì)算技術(shù)和ANSYS等分析軟件的迅速發(fā)展,使得數(shù)值模擬和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)成為研究和評(píng)價(jià)水泵最佳特性的較好工具之一。這種類型的模擬在預(yù)測(cè)和估計(jì)泵性能的許多特性方面非常有用,并且在任何進(jìn)一步的步驟之前給出了許多解決方案。
因此,在離心泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,離不開CFD的支持。通常,先設(shè)計(jì)出幾種不同的水力方案;接著利用CFD進(jìn)行模擬分析;最后根據(jù)分析結(jié)果選出一種最符合設(shè)計(jì)要求的方案。
利用CFD進(jìn)行模擬分析是一種有效的設(shè)計(jì)和估算水力設(shè)計(jì)的方法,可以減少時(shí)間、降低成本、提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。它可以在很大的范圍內(nèi)減少誤差,并提供可供選擇的解決方案。
參考文獻(xiàn)