杜文華

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030009）

引言

多級(jí)離心泵主要是通過(guò)轉(zhuǎn)移原動(dòng)機(jī)的能量至被抽送液體中，直接影響其工作性能的是內(nèi)部流動(dòng)特征，可廣泛應(yīng)用于制藥、化工、建筑給排水、消防、排污、制冷、暖通、民用以及工業(yè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)離心泵的方法主要是依靠理論與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方式，但在實(shí)際工作中應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法并未能達(dá)到所需生產(chǎn)制造要求。若想規(guī)避以上傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式所涉及到的生產(chǎn)弊端，可對(duì)多級(jí)離心泵的實(shí)際工作性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并以此為基礎(chǔ)提出應(yīng)有的解決優(yōu)化方案。在20世紀(jì)60年代中期，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而興起，其主要包括偏微分方程數(shù)學(xué)理論、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)值方法及數(shù)據(jù)處理，為預(yù)測(cè)多級(jí)離心泵的工作性能提供了可能，也表示出工程流體力學(xué)將進(jìn)入發(fā)展的新階段。CFD主要是以計(jì)算機(jī)為工作載體，通過(guò)建立出實(shí)體模型并提出流動(dòng)現(xiàn)象的控制方程，確定得出定解條件（邊界條件和初始條件），并依據(jù)模擬數(shù)值的方法求解得出相關(guān)流動(dòng)現(xiàn)象的近似解或數(shù)值解[1]?？蛇M(jìn)一步把CFD理解為：在解決某個(gè)工程問(wèn)題或者流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中，可利用離散點(diǎn)的集合來(lái)代替一定時(shí)間和空間域內(nèi)的連續(xù)物理量并利用相應(yīng)的計(jì)算原則來(lái)建立以及求解所涉及到的代數(shù)方程，最終得到近似值的過(guò)程[2]。據(jù)此研究技術(shù)，可以得出如離心泵中關(guān)鍵部件葉輪的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多級(jí)離心泵工作性能的影響。同時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)得出的影響規(guī)律可直接驗(yàn)證某些設(shè)計(jì)步驟以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)是否必要，如此便可以優(yōu)化離心泵的設(shè)計(jì)方向，最終獲得出理想的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用該技術(shù)方法，不僅縮短了工作周期，而且進(jìn)一步節(jié)約了人力以及縮減了相應(yīng)的開(kāi)支，有重要的研究意義。

下述主要針對(duì)葉片數(shù)、葉輪的進(jìn)出口直徑等不同參數(shù)對(duì)多級(jí)離心泵設(shè)計(jì)點(diǎn)性能、內(nèi)流場(chǎng)以及H-Q曲線的影響。

1 不同參數(shù)對(duì)離心泵設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響

1.1 葉片數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響

葉片數(shù)與離心泵的效率、揚(yáng)程等性能息息相關(guān)。選擇葉片數(shù)即需要兼顧葉片的表面摩擦以及其排擠的問(wèn)題，同時(shí)，更要確保流動(dòng)的穩(wěn)定性和流體與葉片之間的相互影響。表1展示出不同葉片數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的預(yù)測(cè)結(jié)果。

表1 不同葉片數(shù)的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能

通過(guò)分析表1不同葉片數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響，結(jié)果表明隨著葉片數(shù)的增大，其揚(yáng)程則先增大隨后減小。葉片為6和7時(shí)離心泵具有相近的揚(yáng)程值，且比葉片數(shù)為5和8時(shí)的揚(yáng)程值大，隨著葉片其片數(shù)的增加，相應(yīng)揚(yáng)程值的增幅并未得到相應(yīng)的增加。同比于葉片數(shù)對(duì)揚(yáng)程的影響規(guī)律，效率也具有相似的影響趨勢(shì)，即葉片為6和7時(shí)離心泵具有相近的效率值且為最大效率，葉片數(shù)為5和8時(shí)則相對(duì)效率值較小?？梢缘贸?，隨著葉片數(shù)的增大，其效率也是先增大后減小。由此可以得出，葉片數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能包括其效率及揚(yáng)程的影響，并不隨著葉片數(shù)的增大或者減小得出效果最佳，而是當(dāng)葉片數(shù)為6、7時(shí)，離心泵具有較佳的性能。

1.2 葉輪進(jìn)口直徑對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響

與葉片數(shù)對(duì)揚(yáng)程、效率的研究方法一致，葉輪進(jìn)口直徑對(duì)這兩者的影響也較為相似。設(shè)置葉輪進(jìn)口直徑分別為0.142 m、0.146 m、0.150 m以及0.154 m，當(dāng)進(jìn)口直徑為0.150 m時(shí)，其預(yù)測(cè)揚(yáng)程與預(yù)測(cè)效率均為最大值。當(dāng)進(jìn)口直徑為0.154 m時(shí)，其預(yù)測(cè)揚(yáng)程值以及預(yù)測(cè)效率反而減?。划?dāng)葉輪進(jìn)口直徑小于0.150 m時(shí)，隨著進(jìn)口直徑的值增大，即預(yù)測(cè)揚(yáng)程與效率則相應(yīng)的增大?？傮w來(lái)說(shuō)，葉輪進(jìn)口直徑對(duì)預(yù)測(cè)揚(yáng)程值以及預(yù)測(cè)效率呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。除此之外，多級(jí)離心泵的進(jìn)口直徑實(shí)際影響其進(jìn)口的速度，且該速度值一般小于或等于3~4 m/s，過(guò)大的進(jìn)口速度則易降低抗氣蝕性能及效率。同時(shí)，并非越大的葉輪進(jìn)口直徑性能越好，如此極易導(dǎo)致離心泵的進(jìn)口流道擴(kuò)散嚴(yán)重，如此便有漩渦的形成，破壞較為良好的速度分布，降低離心泵的效率。更為嚴(yán)重的是過(guò)大的進(jìn)口直徑則會(huì)增加在其密封環(huán)處的間隙面積，增大容積量損失以及增加泄漏量[3]。因此，為達(dá)到離心泵良好的性能，則需選擇其進(jìn)口直徑為0.150 m。

1.3 葉輪出口直徑對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響

通過(guò)設(shè)置葉輪的出口直徑分別為0.362 9 m、0.364 9 m、0.366 9 m以及0.370 9 m，分析其對(duì)多級(jí)離心泵揚(yáng)程以及效率的影響。結(jié)果表明，葉輪的出口直徑對(duì)多級(jí)離心泵的效率無(wú)明顯影響規(guī)律；對(duì)于離心泵的揚(yáng)程來(lái)說(shuō)，在所設(shè)置的出口直徑范圍內(nèi)，隨著離心泵出口直徑增大，則揚(yáng)程值相應(yīng)地增大。總的來(lái)說(shuō)，隨著葉輪出口直徑的增大，則該離心泵具有大流量以及高揚(yáng)程；反之，則具有小流量以及低揚(yáng)程。

2 不同參數(shù)對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)的影響

1）葉片數(shù)對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響：在同一半徑下，非工作面壓力低于工作面的壓力且隨著半徑的增大壓力也隨之遞增，葉片數(shù)越多則更有益于均勻分布內(nèi)流場(chǎng)的壓力；

2）進(jìn)口直徑對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響：進(jìn)口直徑對(duì)內(nèi)流場(chǎng)總壓分布無(wú)明顯的影響規(guī)律，不同的進(jìn)口直徑主要針對(duì)于進(jìn)口處的影響，最小的進(jìn)口壓力主要是針對(duì)其0.142 m的進(jìn)口直徑，且進(jìn)口總壓隨著進(jìn)口直徑的增加而增大；

3）出口直徑對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響：出口直徑也對(duì)內(nèi)流場(chǎng)總壓分布無(wú)明顯的影響規(guī)律，不同的出口直徑主要針對(duì)于出口處的影響，出口總壓隨著出口直徑的增加而增大，這也與揚(yáng)程隨著出口直徑增大而增大的影響規(guī)律一致。

3 不同參數(shù)對(duì)離心泵H-Q曲線的影響

本部分主要簡(jiǎn)述葉片數(shù)、葉輪的進(jìn)出口直徑等不同參數(shù)對(duì)多級(jí)離心泵H-Q曲線的影響。葉片數(shù)對(duì)H-Q曲線（見(jiàn)圖1）的影響：葉片數(shù)為5~8時(shí)，隨著葉片數(shù)增大則曲線斜率越小，曲線越平緩。雖然葉片數(shù)越少越容易消除或減小在H-Q曲線中的駝峰現(xiàn)象，但過(guò)少的葉片數(shù)則更容易形成流道漩渦，最終降低離心泵效率。

圖1 葉片數(shù)對(duì)H-Q曲線的影響

1）進(jìn)口直徑對(duì)H-Q曲線的影響：與進(jìn)口直徑對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的影響規(guī)律一致，一些非設(shè)計(jì)點(diǎn)當(dāng)葉輪進(jìn)口直徑小于0.150 m時(shí)，隨著進(jìn)口直徑的值增大，即預(yù)測(cè)揚(yáng)程與效率則相應(yīng)的增大，反之，當(dāng)進(jìn)口直徑大于0.150 m時(shí)，隨著進(jìn)口直徑的值增大，即預(yù)測(cè)揚(yáng)程與效率卻減小。即當(dāng)進(jìn)口直徑增大到一定值時(shí)，相應(yīng)的，相應(yīng)的離心泵在抗氣蝕性能以及效率方面均達(dá)到最佳值[4]。

2）出口直徑對(duì)H-Q曲線的影響：當(dāng)流量較小時(shí)，出口直徑對(duì)該離心泵的揚(yáng)程無(wú)明顯的影響規(guī)律，當(dāng)增大流量時(shí)，隨著出口直徑的增大，其揚(yáng)程值也相應(yīng)增大。大的葉輪直徑則會(huì)具有相對(duì)較陡的性能曲線，駝峰現(xiàn)象不易產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1）葉片數(shù)越大，則相應(yīng)的效率與揚(yáng)程均隨流量的變化其變化越平緩，葉片數(shù)越少則其駝峰越不易出現(xiàn)。

2）進(jìn)口直徑與葉片數(shù)的影響規(guī)律一致，當(dāng)進(jìn)口直徑為0.15 m時(shí)，其揚(yáng)程和效率值達(dá)到最大。

3）出口直徑越大，則揚(yáng)程值也增大，且H-Q曲線越平緩。除此之外，各類參數(shù)對(duì)多級(jí)離心泵的總體均勻壓力分布無(wú)明顯影響規(guī)律。