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离心泵叶轮性能优化的水力设计和基于 CFD 的参数研究（上）离心泵叶轮性能优化的水力设计和基于 CFD 的参数研究（上）Abdurashid Aliuly1,2,*，Tangnur Amanzholov1,2,*， Abzal Seitov1,2，Nazerke Momysh1,2， Nurbolat Jaichibekov1,3，Aidarkhan Kaltayev2 1 哈萨克斯坦Joldasbekov机械与工程研究所 2 哈萨克斯坦萨特巴耶夫大学机械工程系 3 哈萨克斯坦Gumilyov欧亚国立大学力学系 * 通信作者。 摘 要：离心泵广泛应用于各种行业，包括供水、农业和能源，这些行业消耗大量电力。随着对能源效率和降低运营成本的需求增加，提高泵效率变得至关重要。本研究的重点是优化泵叶轮的几何形状，这在最大限度地减少能量损失方面起着至关重要的作用。开发了一个水力和流体动力学模型，以及基于数值模拟（CFD）的参数研究，以分析几何参数（特别是叶片入口和出口边缘的角度和形状）对能量损失和水力效率的影响。该研究利用制造商提供的实验数据进行模型验证。结果表明，Ivanovsky的方法显示前缘和后缘叶片宽度的偏差分别为25 % 和43 %，而Spiridonov的方法显示后缘外径𝐷2的偏差为13 % 和27.5 %。相比之下，作者提出的组合方法具有较高的精度，偏差低于9 %。此外，参数分析确定了影响泵效率的两个关键参数：后缘角度及其形状。这些发现强调了优化叶片几何形状以提高离心泵性能和能效的必要性。 关键词：叶轮；离心泵；水力设计；CFD模拟；参数研究 1. 前言 离心泵广泛应用于各种行业，如饮用水行业的供水和污水处理、热交换器中热载体的能量传递、输送工业液体和化学溶液的工业，特别是在油田[1,2,3]，以及农业的农田灌溉等。在当今追求提高竞争力、符合法规要求[4]和降低运营成本[5,6,7]的背景下，提高离心泵的能效变得尤为重要。 离心泵的叶轮产生离心力，促使流体从中心向外围移动，将旋转叶片的机械能转化为流动的动能。然而，在流体流过泵的过程中会发生各种能量损失。流体和叶片壁之间的摩擦力、扩散体的形状和湍流都会导致涡流的形成，从而引起能量损失[8,9,10]。此外，当局部压力降至饱和蒸汽压以下时，会出现汽蚀现象，对泵的能效和可靠性产生负面影响[11,12,13]。为了提高离心泵的效率，需要对这些因素进行全面分析，并探索使用高精度方法将其最小化的措施。 离心泵（对于蜗壳式泵）系统由几个关键零部件组成：入口管、叶轮、蜗壳和出口延伸管。很大一部分能量损失发生在叶轮上，这使得其几何参数对于优化泵的性能尤为重要。虽然水力计算可以提供最佳参数，但应用详细的CFD建模对流动特性可以进行更精确地分析和改进，最终有助于提高泵的水力效率。 叶轮的主要几何参数之一是叶片前缘和后缘的角度以及包角。在X.Han等人[14]的研究中，研究了包角和后缘角对泵效率和扬程的影响。对静压、相对速度、流线和动能变化等四个参数的分析表明，在126°的包角和24°的后缘角下，效率值明显高于原始参数。在他们的研究中，A.P.S.Wheeler等人[15]和H.Luo等人[16]研究了前缘形状（椭圆形、弧形和圆形）对叶轮水力损失的影响。他们发现，较钝和较尖锐的边缘形状会导致流动压缩效应，在高流速下会在入口处产生负速度梯度，从而导致能量损失和局部低压区域。叶轮后缘的形状也被作为优化参数进行了研究，特别是关于其对回流和能量损失的影响。研究表明，后缘形状对叶轮前缘部分的影响很小。然而，优化后缘，特别是通过减薄后缘，可以显著减少涡流和能量损失，从而改善流动，使整体泵效率提高0.59 %。相反，加厚后缘会导致效率降低约6 %[17]。该研究[18]基于CFD模拟和实验，研究了在不同比转速下修改叶轮后缘对离心泵效率和扬程的影响。[19,20,21]中的研究表明，优化离心泵的叶片厚度会显著影响其性能、效率和耐用性，突出了精确的叶片设计对提高泵运行特性的重要性。 上述许多研究表明，使用CFD数值模拟显著提高了泵优化的有效性，并成为详细分析流动、涡流和其它参数的有价值的工具。然而，进一步改进叶轮设计的需求仍然是一个紧迫的挑战。为此，本研究的目的是尽量减少水力和局部阻力造成的损失，以改善泵的流动特性。 为了克服这一挑战，开发了一个水力计算模型，以确定泵叶轮和蜗壳的初始最佳几何参数。该研究使用Ansys CFX的数值建模方法，并利用现有离心泵的实验数据来验证模拟结果。之所以选择这些方法，因为它们精度高，能够对压力场和速度场进行详细研究，并为优化泵的设计提供深入分析，最终显著提高泵的能效。 这项研究的结果有望显著提高离心泵的效率（COP），从而降低能耗，提高泵送系统的可靠性。该研究能够更精确地识别对泵效率最敏感的参数，并评估它们对泵整体能效的影响。 2. 方法 2.1 CHP 150-315/1500离心泵的特点 本研究考察了哈萨克斯坦奇姆肯特Karlskrona LC AB工厂生产的典型离心泵型号CHP 150-315/1500（图1a），该泵广泛用于供水、能源和工业等领域泵送各种液体。本文作者可以从制造商那里获得有关该泵型号的实验数据。然而，由于这些数据是保密的，因此对其发布有一定的限制。尽管如此，还是提供了有关该泵的性能和主要特征的基本信息（见表1），包括叶轮的主要几何参数（见表2）。这些数据被认为足以用于建立数学模型、验证结果和进一步的详细分析。值得注意的是，验证的目的旨在确认所建立的数学模型的准确性，以便能够用于后续的设计和优化。通过实验数据，可以评估模型在多大程度上准确地再现了泵的实际运行工况及其性能。 图1：CHP 150-315/1500泵组（a）和计算域（b） 表1：泵的主要性能 表2：叶轮的主要几何参数 2.2 单级泵基本结构设计的水力计算 进入叶轮的实际流动具有复杂和不均匀的特征。在叶轮的圆周和宽度上，水流结构复杂且不均匀。在叶片间的流道和蜗壳中观察到涡流，导致局部水力阻力的出现，从而对系统的整体效率产生负面影响。 由于流动的复杂性，无法获得该问题的解析解。因此，在实践中，计算方法基于各种简化和假设，其中不需要对每个点的流动进行详细研究，只需要对控制部分进行详细研究。作为一个流动参数，实际值被视为其在流动横截面面积上的平均积分值。对于这样一个显著简化的问题，一维均匀流理论是适用的，其中问题被视为一维的，并且仅取决于一个坐标，即径向矢量。基于这些假设的理论被称为水力机械理论。为了描述水力机械理论中的流体运动学，使用了速度三角形或速度平面图（见图2），其中绝对流速 c 被定义为圆周流速 u 和相对流速 w 之和[22]，如公式（1）所示。 图2：叶轮中流体流动的运动学 - 速度三角形 通过这种可视化的速度表示，可以更准确地分析和优化泵的流动特性及其与叶轮叶片的相互作用。 叶轮主要几何参数的计算 为了计算离心泵（特别是叶轮）的最佳参数，首先要确定确保最大效率的最佳速度。然后才能计算叶轮的最佳尺寸。这些关键几何参数是在叶轮的三个不同部分确定的（图3a）：叶轮入口点（0-0）、叶片前缘（LE）（1-1）和叶片后缘（TE）（2-2）。所需的体积流量𝑄、扬程𝐻和转速𝑛被指定为计算的输入数据。 图3：叶轮的径向剖面图（a）和平面图（b） 比转速在泵的分类中起着重要作用，它决定着叶片形状、叶片倾角和泵的性能特征[23,24,25,26,27]，其定义见公式（2）： 离心泵的效率𝜂定义为有用功率与从电机接收的功率之比。如前所述，由于损失（泄漏、摩擦、几何形状），泵效率降低。为了尽量减少这种损失，在水力计算中考虑了三种类型的效率：容积效率𝜂𝑣，它考虑了密封的泄漏和旁路，以及叶轮和蜗壳之间的空腔的影响；水力效率𝜂ℎ，包括与汽蚀、局部障碍、水力摩擦、涡流和叶片流动分离相关的损失；机械效率𝜂𝑚，反映了与叶轮和蜗壳之间空腔中的流体摩擦及轴承、密封摩擦相关的损失。每个效率分量使用以下经验公式[28]确定。 离心泵总效率的初步评估由所有三个效率的乘积决定[25,28]，计算公式为（6）： 轴直径（图3a）是根据强度条件计算的，考虑了作用在轴上的扭矩，并由以下公式[25]确定： 式中， 其中, 𝑀 = 扭矩 [Nm]， [𝜏] = 许用扭转应力，对于碳钢材料[𝜏] = 13 ~ 15 MPa [26]。 根据强度条件[23]，轮毂直径（图3a）必须至少比轴直径大10 %。 为了满足这一条件， Spiridonov [25]和Mikhailov [27]的研究发现，公式（10）中𝐷𝑠ℎ前面的系数在1.2-1.25的范围内，而Ivanovsky [24]和Gorgidzhanyan [26]的研究发现，该系数范围分别为1.1-1.25和1.2-1.4。 叶轮入口处的绝对流速由公式（11）确定： 其中叶轮的流量定义如下[24,25,26]： 叶轮吸入口的直径（如图3a中0-0截面所示）是根据质量守恒定律确定的。 叶片LE的平均直径（图3a）取决于泵的类型，低速泵和普通泵分别根据公式（14）和（15）确定，如文献[25]所述。 在 Gorgidzhanyan 的研究[26]中，适用于直径D0的系数取决于比转速ns的值。当ns ≤ 90 时，系数范围为0.9至1.0，而当ns > 90 时，系数范围为0.6至0.9。在这种情况下，较低的系数值对应较高的比转速系数。 考虑到叶轮叶片引起的流动收缩，使用以下公式确定叶片入口处的轴向（经向，子午面）流速： 在[23,26]的著作中，收缩系数k1的值在1.1到1.15之间，而在Mikhailov的著作[27]中，在1.15到1.2的范围内。在计算过程中，如[24,25]中所述，该系数被细化，直到满足条件｜k′1−k1｜≤0.01。在后续步骤中，该条件同样适用于系数k2和k。 叶轮叶片LE的宽度（图3a）由公式 (17) 确定 叶片LE的倾斜角（图3b）由速度三角形确定[24,25]： 其中，绝对流速的圆周分量c1u = 0，因为叶片入口处的液流进入时没有循环，入口处的切向速度u1由公式（19）确定。 在入口处，叶片轴线和流动矢量之间存在特定的攻角∆β1。该角度的正常范围为-2°至5°[24]，而其它来源显示的变化范围为3°至8°[25,26]。后者指出，为了改进汽蚀性能，攻角可以增加到15°。 叶轮叶片TE处绝对速度的经向（子午面）分量可以使用以下公式[24,25]确定： 叶轮叶片TE的倾斜角（图 3b）由公式 (21) 确定： 其中，相对速度的最佳比率由经验公式 (22) 确定。 叶片TE处的圆周速度用下式表示[24,25]： 理论扬程是不考虑损失的扬程[24,25]，由下式定义： 叶轮的直径使用欧拉方程确定，计算如下（图3a）： 叶轮叶片TE的宽度（图3a）由公式（26）确定： 泵叶轮的叶片数量由以下公式[24]确定： 所有计算数据都被视为是从头开始设计离心泵的初始最佳参数。为了进一步优化和提高泵的效率，还需要根据CFD进行更详细的计算。 |
