方思源，程雙勝

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一種新型離心泵的流體特性分析

方思源，程雙勝

（武漢船用電力推進(jìn)研究所，武漢 430064）

本文針對某產(chǎn)品配套的離心泵中出現(xiàn)的問題，提出了一種新型的離心泵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用磁懸浮支承，并對該離心泵的泵腔和葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用FLUENT軟件對其進(jìn)行壓力場、速度場等流體仿真分析。分析該離心泵可以滿足設(shè)計(jì)要求。

離心泵 磁懸浮 流體仿真

0 引言

某產(chǎn)品在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性等惡劣條件下運(yùn)行，通過該產(chǎn)品配套的離心泵輸送液體，由于傳統(tǒng)的離心泵采用普通軸承支承，在惡劣環(huán)境下，普通軸承長期摩擦容易損壞，而且軸承潤滑油在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件下會失去功效，從而影響離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。而磁懸浮支承是一種無接觸的支承[1]。這種支承方式可以使葉輪轉(zhuǎn)子無摩擦、無潤滑，有效提高離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命。本文提出了一種新型的采用磁懸浮支承的離心泵，并對其進(jìn)行了壓力場、速度場等流體仿真分析，對今后磁懸浮技術(shù)在離心泵中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 整體結(jié)構(gòu)圖

圖1為離心泵結(jié)構(gòu)示意圖。采用永磁和電磁構(gòu)成一種混合支承系統(tǒng)[2,3]。通過三個電磁鐵控制三個方向的自由度，通過永磁環(huán)和電磁鐵的特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向心效應(yīng)，結(jié)合流體的作用來控制徑向方向的兩個自由度,從而使葉輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮；將一對N極朝上的永磁體和一對S極朝上的永磁體交替安裝在葉輪轉(zhuǎn)子下方，并將鐵軛與永磁體接觸，用鋁蓋以及特殊抗腐蝕材料密封形成葉輪。

圖1 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.泵腔 2.密封圈 3.電渦流傳感器 4.泵蓋 5.入口 6.電磁鐵和線圈 7.葉輪轉(zhuǎn)子軛 8.外永磁環(huán) 9.出口10.葉輪 11.電機(jī)定子線圈 12.電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體13.葉輪蓋 14.電機(jī)轉(zhuǎn)子軛 15.電機(jī)定子 16.電機(jī)定子軛 17.電機(jī)安裝槽

2 葉輪和泵腔結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)要求某產(chǎn)品配套的離心泵總流量要達(dá)到10 m3/h，揚(yáng)程為8 m。取泵的葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2000 rpm，流量取10m3/h, 揚(yáng)程取8 m，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出比轉(zhuǎn)速:

然后采用速度系數(shù)法，以相關(guān)的離心泵的設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)有的常規(guī)的離心泵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)公式計(jì)算出相應(yīng)的流速系數(shù)和粗略的尺寸參數(shù)，然后通過分析國內(nèi)外多種離心泵的葉輪型號與葉型曲線，結(jié)合計(jì)算出來的尺寸參數(shù)對葉輪的外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，得到最佳性能的葉輪結(jié)構(gòu)。葉輪結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

查閱離心泵手冊，從泵送液體的效率出發(fā)，螺旋形蝸室的泵腔相比環(huán)形蝸室的泵腔泵送液體的效率更高，并且液體在泵腔內(nèi)流動更穩(wěn)定，因此本文選用螺旋形蝸室，泵腔結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表2所示：

表2 泵腔結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 FLUENT仿真

3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

離心泵中流動的是酸液。假設(shè)酸液為不可壓縮的牛頓流體[4]。酸液密度為1.395× 103kg/m3，酸液粘度為3.547 × 10-3kg/(m·s)。湍流模型取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型以及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[5]。壓強(qiáng)速度耦合算法為SIMPLE算法[6]。取揚(yáng)程為8 m,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速2000 rpm,流量10 m3/h。采用速度入口邊界條件inlet與流量出口邊界flowout以及固壁邊界條件wall。

3.2 離心泵的壓力場與速度場效果圖

圖2 壓力場效果圖

從圖2可以看出，液體在離心泵內(nèi)各個區(qū)域的壓力分布相對均勻，液體從葉輪進(jìn)口進(jìn)入，到達(dá)葉輪流道，液體通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，液壓從葉輪中心到外徑處是逐漸增大的，然后液體被甩入到蝸殼流道，蝸殼內(nèi)部的截面積逐漸增大，最終液體以最大液壓從出口流道流出。

從圖3可以知道各區(qū)域的速度分布，液體從離心泵的入口處流入，然后通過葉輪入口以較低的流速均勻流入到葉輪流道，幾乎看不到流動分離，液體通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，流速從葉輪中心到葉輪外徑處逐漸加快，在葉輪外徑與蝸室入口交匯處達(dá)到峰值，從蝸室入口到擴(kuò)散管再到出口流道，流速逐漸降低。

圖3 速度場效果圖

3.3 不同磁懸浮間隙下?lián)P程、出口流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

取磁懸浮間隙分別為2 mm、4 mm、6 mm，葉輪轉(zhuǎn)速分別為1500 rpm、1800 rpm、2000 rpm、2500 rpm，然后對其進(jìn)行fluent仿真分析，得出不同磁懸浮間隙下?lián)P程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4所示，出口流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖5所示。

圖4 揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖5 出口流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖4、圖5可以看出，在同一磁懸浮間隙下，揚(yáng)程和出口流量隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加呈遞增趨勢；在同一轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程和出口流量隨著磁懸浮間隙的增大也是呈遞增趨勢的。綜合考慮出口流量及其揚(yáng)程的相關(guān)參數(shù)，我們可以得出結(jié)論：磁懸浮間隙在4 mm條件下，通過控制葉輪轉(zhuǎn)速，使其處于1800~2000 rpm范圍內(nèi)，離心泵的運(yùn)行比較穩(wěn)定，也最能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

通過以上仿真分析可知，所設(shè)計(jì)的葉輪和泵腔可以滿足某產(chǎn)品的性能要求，并且通過改變離心泵的葉輪轉(zhuǎn)速和磁懸浮間隙，可以不斷調(diào)整離心泵的整體性能，直至達(dá)到最佳要求，也為今后磁懸浮技術(shù)在離心泵中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

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Analysis on Fluid Properties of a New Centrifugal Pump

Fang Siyuan，Cheng Shuangsheng

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2013）10-0020-03

2012-11-14

方思源（1986-），男，助理工程師。研究方向：機(jī)械制造。