嚴文澤，鄭英杰

（大連深藍泵業(yè)有限公司，遼寧大連 116031）

與中高比轉速離心泵相比，低比轉速離心泵具有流量小、揚程高的特點，廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石油化工、冶金及航空航天等領域[1]。但目前，低比轉速離心泵效率低問題一直是困擾低比轉速離心泵發(fā)展的關鍵難題[2-3]。對于低比轉速離心泵，圓盤摩擦損失嚴重影響了離心泵的性能。

當葉輪高速旋轉時，由于工作介質與葉輪蓋板之間摩擦力、液體黏滯力的影響，泵腔內介質質點產(chǎn)生繞中心軸的圓周運動以及在軸面上的二次環(huán)流運動，兩種流動的合成造成的能量損失稱為圓盤摩擦損失[4]。當前常用的計算圓盤摩擦損失的公式[5]為：

式中 γ——工作介質的密度，kg/m3；

K——圓盤摩擦系數(shù)；

u2——葉輪的圓周速度，m/s；

D2——葉輪外徑，m。

其中，圓盤摩擦系數(shù)與泵腔尺寸有關。因此，可以通過優(yōu)化泵腔結構，降低離心泵的圓盤摩擦損失。目前，從整個泵行業(yè)來看，泵腔結構的設計主要是從鑄造工藝、強度、剛度及成本控制等方面考慮的[6-8]。

國內外學者對腔體結構對泵性能影響進行了一定研究。斯捷潘諾夫[9]指出當圓盤與泵側壁間隙增大時，圓盤旋轉所需的功率也隨之增加；范宗霖[10]通過試驗驗證指出，泵腔寬度對泵性能影響較大，當泵腔寬度減小時，泵揚程和效率均有所提升，且泵的汽蝕余量也減小了。

本文選取本公司一臺比轉速為55 的單級單吸離心泵作為研究對象，采用數(shù)值模擬、3D 打印及試驗研究相結合的方法，通過改變離心泵腔體結構形式，研究腔體結構對泵水力性能的影響，為今后低比轉速離心泵腔體結構的設計提供參考依據(jù)[11-12]。

1 計算模型與邊界條件

本文所選離心泵的設計參數(shù)如表1 所示，其結構圖如圖1 所示。

表1 泵設計參數(shù)Table 1 Pump design parameters

圖1 離心泵結構Fig.1 Structure drawing of centrifugal pump

根據(jù)該泵二維圖紙，采用Solidworks 軟件分別對該泵吸入室、葉輪、壓水室以及前后腔體進行三維建模，模型比例為1∶1，如圖2 所示。原始泵腔結構和優(yōu)化方案腔體的水體部分如表2 所示，優(yōu)化方案為減小前腔體積。

表2 泵腔水體部分示意Table 2 Schematic diagram of water body in the pump chamber

應用ANSYS ICEM 網(wǎng)格劃分軟件，采用適應性較強的非結構化四面體網(wǎng)格對整個計算域進行網(wǎng)格劃分，并對葉片進口、出口、圓角等重要位置進行局部網(wǎng)格加密處理，整機計算域總網(wǎng)格數(shù)量約291 萬，網(wǎng)格質量在0.25 以上，網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖2 離心泵整機三維模型Fig.2 Three-dimensional model of the centrifugal pump machine

圖3 計算域網(wǎng)格模型Fig.3 Calculation domain grid model

本文采用CFX 軟件對離心泵內部流場進行三維定常數(shù)值模擬，基于不可壓縮流體的N-S 方程和RNG k-ε 湍流方程，固體壁面采用無滑移邊界條件，采用SIMPLE 算法求解壓力-速度耦合方程組[8]。進口邊界條件設置為質量流量進口，出口邊界條件為自由出流[9]。

2 計算結果

在Q=60，70，80 及100 m3/h 工況下分別對原始泵腔方案和優(yōu)化方案泵內部流場進行求解計算，分析并評價泵腔結構形式對泵水力性能的影響。

2.1 流場分析

當泵運行過程中，部分液體會沿著蝸殼兩側流入前后腔內。在葉輪前后蓋板的旋轉作用下，前后腔內液體大約以0.25 ω 的角速度進行旋轉。圖4 為原始泵腔的速度流線分布圖，從圖中可以看出，在原始泵腔中前腔內速度流線分布較差，雜亂分布著許多大小不一的漩渦。

圖4 原始泵腔速度流線分布Fig.4 Velocity streamline distribution diagram of the original pump cavity

圖5 為優(yōu)化方案泵腔的速度流線分布圖，優(yōu)化方案減小了前腔體積。由圖中可以看出，前腔內速度流線分布更緊湊，有利于減小腔內漩渦的擴散、分離，從而減小了前腔部分的能量損失。

圖5 優(yōu)化方案泵腔速度流線分布Fig.5 Velocity streamline distribution diagram of the optimized pump cavity

2.2 外特性分析

對不同工況下CFD 計算結果進行處理，如表3所示。

表3 外特性計算結果Table 3 Calculation results of external characteristics

圖6 計算外特性曲線Fig.6 Calculated external characteristic curve

由圖6 可知，優(yōu)化方案的外特性曲線變化趨勢與原始方案曲線一致，優(yōu)化方案的揚程和效率均高于原始方案值。在額定流量Q=80 m3/h 工況下優(yōu)化方案的效率比原始方案提高了2.61%，揚程增加了2.1 m。

3 試驗研究

對原始方案和優(yōu)化方案進行試驗研究。運用3D快速成型技術對優(yōu)化方案的泵腔結構進行3D 打印，并粘接在泵腔中進行試驗驗證，如圖7、8 所示。在試驗過程中除泵腔結構外，其余試驗條件保持一致。

試驗結果如表4 所示。

圖7 原始泵腔結構Fig.7 Original pump cavity structure

圖8 優(yōu)化方案泵腔結構Fig.8 Optimized pump cavity structure

表4 試驗數(shù)據(jù)結果Table 4 Experimental data results

圖9 試驗外特性曲線Fig.9 Experimented external characteristic curve

由圖6、圖9 可知，試驗外特性曲線與CFD 計算曲線趨勢相同，優(yōu)化方案的揚程和效率均高于原始方案值。試驗揚程值和效率值低于CFD 計算值，這是由于CFD 計算時未考慮口環(huán)泄漏引起的容積損失以及軸承、填料等處的機械損失。

在額定流量Q=80 m3/h 工況下，優(yōu)化方案的試驗揚程為77.89 m，比原始方案提高了2.41 m；試驗效率為64.71%，比原始方案增加了3.8%。

由此可知，當減小泵腔體積后，該泵的揚程和效率均有明顯提升。

4 結論

綜上所述，本文針對一臺低比轉速離心泵，通過采用CFD 數(shù)值模擬、3D 打印及試驗研究相結合的方法，研究了腔體結構對泵性能的影響，得出結論如 下：

（1）試驗結果與CFD 計算結果一致。通過對腔體結構優(yōu)化改進后，該泵的揚程和效率有明顯提升。

（2）通過CFD 分析及試驗驗證，說明腔體結構對低比轉速離心泵性能影響較大。在今后低比轉速離心泵腔體結構的設計中，除了考慮鑄造工藝、強度、剛度等因素外，還應重點考慮泵腔對泵性能的影 響。

（3）在低比轉速離心泵泵腔結構設計時，在設計、加工及裝配允許的條件下，應盡可能減小腔體體積，并使泵腔形狀規(guī)則，有利于提高低比轉速離心泵的水力性能。