叶轮背叶片对离心泵内部流场的影响

-5-第10期叶轮背叶片对离心泵内部流场的影响王银冰1，王晓枫2，刘文辉2（1.东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230031）（2.合肥工业大学机汽学院，安徽合肥230009）[摘要]为研究叶轮背叶片对离心泵内部流场的影响，建立了前弯、后弯和直型三种不同背叶片数量的叶轮模型，在相同工况下对离心泵内部流场进行了数值模拟。结果表明，在不同背叶片数目和形式下，泵的效率有所不同，随着背叶片数量的增加，泵效率有所下降，泵扬程提高。该分析结果可为改善离心泵的性能和进行优化设计提供参考。[关键词]离心泵；背叶片；内部流场；数值模拟论文广场作者简介：王银冰（1978—），女，河南洛阳人，硕士学位，工程师。从事化工动设备设计工作。叶轮主叶片直型-8背叶片前弯-8背叶片后弯-8背叶片图1叶片模型离心泵是一种通用机械，在工程领域中广泛应用于输送固液混合物。叶轮背叶片是离心泵叶轮后盖板上的径向叶片，主要作用是平衡轴向力和轴向密封。近年来，国内外关于离心泵的研究多集中在泵体内固液颗粒的运动规律和速度变化规律，对叶轮背叶片结构形式和数量对泵体内部流场的影响，以及对泵效率的影响，国内外的研究涉及较少。本文建立了不同形式和数量的叶轮背叶片，对离心泵的内部流场进行了模拟分析，旨在探索离心泵在不同背叶片数量和形式下的流动规律，以及背叶片的数量和结构形式对离心泵泵效率的影响。1背叶片形式设计离心泵的轴向力平衡机构，由离心泵叶轮和泵盖构成，离心泵叶轮的背侧固定设置有数个径向背叶片，径向背叶片沿圆周方向均匀间隔排列，径向背叶片与离心泵叶轮轴套的外圆周之间均设置有间隙，径向背叶片的后端固定连接有一个环状盘，泵盖内端面中设置一个凸台，凸台延伸到径向背叶片与离心泵叶轮轴套的间隙内。叶轮背叶片的形式主要有三种，一种是背叶片的弯曲方向与叶轮主叶片的旋转方向相同，称为前弯背叶片，另一种是背叶片的弯曲方向与叶轮主叶片的旋转方向相反，称为后弯背叶片，再一种背叶片直型，不弯曲，称为直型背叶片。本设计中对前弯、后弯和直型三种背叶片均进行了建模，背叶片数量从3个到10个，共建立背叶片模型8组24个，其中背叶片数量为8的一组模型如图1所示。2数值模拟2.1模拟工况设定本文模型基础为某泵厂生产的一种离心泵。型号为50ZJ-40-25-02。设计参数为：比转速ns=50，设计流量Q=40m3/h，设计扬程H=25m，额定转速n=1450r/min。-6-论文广场石油和化工设备2014年第17卷图2部分后弯背叶片压力分布图泵进口采用匀速，轴向速度大小由流量和进口面积决定。设工况下的进口速度为：(1)进口的湍流参数选择输入湍流强度和湍流长度尺寸，其计算方法如下：湍流强度计算：式中，和分别为湍流脉动速度和平均速度，ReDH为按水力直径DH计算的Reynolds数。对于圆管，水力直径DH等于几何直径。选择泵进口直径为水力直径进行计算。(2)(3)代入式(3)和式(2)，计算得I=0.0264湍流长度尺寸l按下式计算：l=0.07L(4)式中，L为关联尺寸，对于充分发展的湍流可取为水力直径。计算结果为0.0602。出口设置为压力出口，其相对参考点压力设为86000Pa。叶轮段流体设为旋转，叶轮转速为1450rpm；蜗壳段与进口段流体设为静止。根据固体壁面的实际情况及所处区域流体的状态，设定固体壁面边界条件。如叶片是旋转的，其所在叶轮段的流体也是旋转的，则可设叶片表面为相对流动区域是旋转的，转速为0；叶轮区的泵壳，边界条件设为绝对旋转的，转速设为0。对于导叶，边界条件设为相对流动区域是静止的，其它固体壁面边界条件作类似设定。周期性边界设为无质量输运，压力梯度为0。2.2离心泵内部流场模拟在上述工况下，本文对三种不同形式和数量的背叶片对离心泵内部流场的影响进行了数值模拟，分析不同工况下离心泵蜗壳、叶轮的速度和压力分布等特性。(1)压力分布图压力分布图如图2至图4所示。由于数量较多，本文只选取了其中一部分模拟结果。图3部分前弯背叶片压力分布图图4部分直型背叶片压力分布图-7-第10期王银冰等叶轮背叶片对离心泵内部流场的影响从以上压力分布图可以看出，在背叶片的外侧压力比较大，而内侧轴封处的压力比较小，由于隔舌处的影响使得靠近隔舌的轴封处的低压区域少一些，而远离隔舌的轴封处的低压区域大一些，以上图的等值线都是内稀外密，在一些局部区域的等值线并无规律。(2)速度分布图图5至图7为背叶片及盖板的相对速度矢量图，同样只选取了部分图样。图5部分后弯背叶片相对速度矢量图图6部分直型背叶片相对速度矢量图图7部分前弯背叶片相对速度矢量图从以上速度矢量图可以看出，从区域1到隔舌部分，流体速度都有明显的下降，这是由于流道截面积的不断增大，从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。3背叶片对泵影响的分析3.