漫談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2023-06-24 13:59:40力士霸泵業(yè)
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作者：謝小青、丁鵬、李艷杰
摘 要：葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件，涉及到人們關(guān)注的泵的整體能效和運(yùn)行可靠性。本文從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及同行們的研究成果來簡要談一談如何通過優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能，僅供參考。
關(guān)鍵詞：離心泵 葉輪 優(yōu)化 吸入性能 水力性能
01
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，首先必須要弄清楚優(yōu)化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調(diào)整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據(jù)具體需要進(jìn)行優(yōu)化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導(dǎo)葉等過流零件。其實(shí)，對(duì)于離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，作者在微信公眾號(hào)《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對(duì)離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速》、《葉輪幾何參數(shù)對(duì)離心泵性能的影響》等等。
流體機(jī)械屬于一門半理論、半經(jīng)驗(yàn)的學(xué)科，還存在很多無法準(zhǔn)確設(shè)計(jì)/模擬/預(yù)測的地方，例如不同結(jié)構(gòu)、不同溫度、不同泵送介質(zhì)下無法準(zhǔn)確地模擬出流體真實(shí)的流態(tài)及其對(duì)泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及同行們的研究成果來簡要談一談如何優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
02
改善吸入性能
經(jīng)常會(huì)看到來自各種專家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而，對(duì)于普通工程師和現(xiàn)場操作人員來說，汽蝕現(xiàn)象的診斷及避免/消除并不簡單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動(dòng)力、賦予流體高旋轉(zhuǎn)力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對(duì)于泵本體來說，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。葉輪入口處的許多幾何因素都會(huì)影響汽蝕，例如入口和輪轂直徑、葉片進(jìn)口角和上游液流的入射角、葉片數(shù)量和厚度、葉片流道喉部面積、表面粗糙度、葉片前緣輪廓等。另外，還與葉輪葉片外徑和導(dǎo)葉（對(duì)于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對(duì)于蝸殼式泵）之間的間隙大小相關(guān)。
多年來，許多作者研究并報(bào)告了上述一些因素對(duì)泵汽蝕的影響。在 Schiavello 和 Visser（2008年） 文獻(xiàn)中可以找到涵蓋汽蝕所有方面的優(yōu)秀教程。Palgrave 和 Cooper，1986 年，對(duì)汽蝕進(jìn)行了視覺研究，并提出了基于入口角和入口直徑估計(jì) NPSHi 的一般表達(dá)式。Schiavello等人，1989年，對(duì)汽蝕試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了視覺研究，并比較了具有不同葉尖與輪轂無沖擊的葉輪設(shè)計(jì)對(duì)其吸入性能的影響。Hergt等人，1996年，記錄了不同葉輪直徑、葉片入口角度和葉片數(shù)量的葉輪的吸入性能。
1）葉輪入口直徑/入口面積
為了改善離心泵的吸入性能，設(shè)計(jì)人員普遍通過加大葉輪入口直徑的方法來實(shí)現(xiàn)。今天，這種設(shè)計(jì)方法在離心泵的工程設(shè)計(jì)中還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙相同的情況下，吸入性能越好（葉輪入口面積越大，吸入比轉(zhuǎn)速值越高），則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大，這意味著泄漏量越大，而泵的效率就越低。
不過，對(duì)于通過加大葉輪入口直徑來改善吸入性能的方法，必須特別注意：不能導(dǎo)致吸入比轉(zhuǎn)速值嚴(yán)重超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（如UOP 5-11-7）規(guī)定的值，否則將導(dǎo)致泵的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間變得很窄。
2）葉片前緣形狀
Ravi Balasubramanian等對(duì)不同的葉輪葉片前緣形狀進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，只要滿足前緣葉片厚度的機(jī)械和制造約束，采用拋物線輪廓可以提高葉輪的吸入性能。橢圓輪廓的吸入性能次之，該形狀是前緣的默認(rèn)輪廓選擇，因?yàn)榇溯喞梢暂p松滿足葉片前緣厚度的機(jī)械和制造限制[1]。
3）葉輪蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑
由于葉輪進(jìn)口部分的液流在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用的影響，靠前蓋板處壓力低、流速高，造成葉輪進(jìn)口速度分布不均勻。適當(dāng)增加蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑，有利于減小前蓋板處（葉片進(jìn)口稍前）的絕對(duì)速度和改善速度分布的均勻性，減小泵進(jìn)口部分的壓力降，從而降低NPSHR，提高泵的抗汽蝕性能。
4）葉片進(jìn)口邊位置和進(jìn)口部分形狀
葉片進(jìn)口邊輪轂側(cè)向吸入口方向延伸，即采用后掠式的葉片進(jìn)口邊（進(jìn)口邊不在同一軸面，外緣向后錯(cuò)開一定的角度），可使輪轂側(cè)液體流能夠提前接受葉片的作用、并增加壓力。
葉片進(jìn)口邊前伸并傾斜，使得各點(diǎn)的圓周速度不同，一般軸面速度沿進(jìn)口邊近似均勻分布，則進(jìn)口邊各點(diǎn)的相對(duì)液流角不同。為了符合這種流動(dòng)情況，減小沖擊損失，葉片進(jìn)口應(yīng)做成空間扭曲形狀，這就是目前很多低比轉(zhuǎn)速葉輪葉片進(jìn)口部分也做成扭曲葉片的原因[2]。
5）葉片進(jìn)口沖角
設(shè)計(jì)工況采用稍大的正沖角，以增加葉片的進(jìn)口角，減少葉片進(jìn)口處的彎曲，減少葉片的排擠，增加葉片進(jìn)口過流面積，從而改善吸入性能。同時(shí)，還會(huì)改善大流量下的運(yùn)行環(huán)境，以減少流量損失。但是，沖角不能太大，否則會(huì)影響效率[3]。
6）葉片入口厚度及光潔度
適當(dāng)減小葉片入口的厚度，并對(duì)葉片入口進(jìn)行修圓，使其接近流線型。減小葉片厚度不僅會(huì)擴(kuò)大葉輪吸入流道的面積、降低流速、增加壓力（葉片進(jìn)口形狀對(duì)壓降影響十分敏感），而且使葉輪和葉片入口部分的表面光潔度得到改善、減少阻力損失。這些措施均有利于改善泵的吸入性能。
7）平衡孔
葉輪上的平衡孔，其中的泄漏對(duì)進(jìn)入葉輪的主流起到一定的破壞作用（平衡孔面積應(yīng)不小于密封間隙面積的5倍，以減小泄露流速，從而減小對(duì)主流的影響）。研究表明，在葉輪上開平衡孔時(shí)，將使葉輪后側(cè)的渦流強(qiáng)度降低，其中一些渦流甚至消失，泵的吸入性能得到改善[4]。
8）葉輪出口直徑
葉輪直徑的小幅度減小只會(huì)略微增加NPSHR。但當(dāng)直徑減小5% 至10%時(shí)， NPSHR將明顯增加，這是因?yàn)槿~片長度減小會(huì)增加特定的葉片載荷，從而影響葉輪入口處的速度分布。
注意事項(xiàng)：
1）盡量避免采用加大葉輪入口面積的方法來改善吸入性能 - 避免吸入比轉(zhuǎn)速嚴(yán)重超標(biāo)【如，對(duì)于BB2型泵，通常控制在14400（m3/h, m）以內(nèi)】[5]，否則極易引起入口回流，導(dǎo)致泵不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域擴(kuò)大。
2）應(yīng)避免出現(xiàn)葉片流道綜合癥汽蝕。這種汽蝕破壞是由于導(dǎo)葉（對(duì)于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對(duì)于蝸殼式泵）與葉輪葉片外徑之間的間隙太小所引起的。當(dāng)液體流經(jīng)該小通道時(shí)，液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化，產(chǎn)生汽泡，然后在較高的壓力下破裂，導(dǎo)致汽蝕。
03
改善水力性能
影響泵水力性能的因素較多，而影響葉輪水力效率的因素主要是各種損失。具體有：
1）葉片數(shù)
就離心泵來說，一般情況下，增加葉片數(shù)可以改善液體流動(dòng)情況，適當(dāng)提高泵的揚(yáng)程。但葉片數(shù)增加后會(huì)減少流道過流面積，導(dǎo)致流速增加、葉片的摩擦損失增加，所以，過多的增加葉片數(shù)，不但會(huì)降低效率，并使葉輪的汽蝕性能惡化，還可能導(dǎo)致泵性能曲線出現(xiàn)駝峰[6]。另外，葉片數(shù)的增加，會(huì)使揚(yáng)程特性曲線（從額定點(diǎn)）至關(guān)死點(diǎn)的上升趨勢變得平緩；相反，隨著葉片數(shù)的減少，揚(yáng)程特性曲線會(huì)變得陡峭。通常，離心泵葉輪葉片數(shù)較多地選用5～7片。
2）長短葉片
研究表明，泵葉輪中短葉片和長葉片之間的任何組合都將有利于泵效率的提高，因?yàn)樗梢杂行ё柚谷魏斡捎谌~輪入口附近流速不均勻分布而被稱為尾跡流的發(fā)展[7]。
3）扭曲葉片
試驗(yàn)表明，扭曲葉片的泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近及大流量區(qū)域要比圓弧葉片的泵具有更高的效率。同時(shí)，具有扭曲葉片的泵其關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程要比圓弧葉片高（會(huì)改變揚(yáng)程特性曲線至關(guān)死點(diǎn)的上升趨勢，特別是對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵，這可以有效改善/消除駝峰）。
4）葉輪出口直徑
API 610標(biāo)準(zhǔn)不允許泵使到最大葉輪直徑，要求通過切割葉輪來滿足泵所需要的性能。如果泵選型偏大，切割葉輪是降低產(chǎn)生的壓力和流量的一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的方法。雖然切割葉輪比使用節(jié)流閥來滿足所需的運(yùn)行工況效率更高，但由于葉輪葉片被切短，葉輪葉片與泵殼體之間的間隙變大，因此其效率通常會(huì)低于全尺寸葉輪。
對(duì)于徑向流葉輪，其直徑不應(yīng)減小到最大設(shè)計(jì)直徑的70% 以上。泵葉輪直徑的減小也會(huì)改變出口流道寬度、葉片出口角度和葉片長度。葉輪直徑從最大直徑減小得越多，泵效率將隨著葉輪的切割而降低得越多，且最高效率點(diǎn)會(huì)往小流量方向偏移。
04
其它參數(shù)對(duì)泵性能的影響
1）葉輪葉片寬度
隨著葉片寬度的增加，液體壓力下降，因此揚(yáng)程會(huì)隨著葉輪葉片寬度的增加而減小；葉片寬度對(duì)最佳效率點(diǎn)的效率影響通常不明顯（隨著葉片寬度的增加，最佳效率點(diǎn)的效率可能會(huì)略有增加），但高效區(qū)會(huì)隨著葉片寬度的減小而向小流量方向偏移。效率的影響在較大體積流量下更顯著，換句話說，隨著葉片寬度的增加，效率曲線在最佳效率點(diǎn)的右側(cè)會(huì)迅速下降。
2）葉輪出口葉片角
出口葉片角越大，在給定轉(zhuǎn)速下?lián)P程越高，但代價(jià)是效率和磨損性能越低。較低的出口葉片角增加了效率和葉片長度，但代價(jià)是降低了揚(yáng)程。因此，出口葉片角通常需要進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)這些因素的平衡[8]。揚(yáng)程隨出口葉片角的增大而增大，這可以通過相對(duì)于增加的出口葉片角度增加的出口橫截面尺寸、從而導(dǎo)致葉片之間流道中的液體壓降的減小來解釋。文獻(xiàn) [9]研究認(rèn)為，最高效率值隨出口葉片角的增大而降低。當(dāng)出口葉片角較小時(shí)，在最高效率點(diǎn)右側(cè)泵的效率會(huì)迅速下降。
3）葉輪出口分流葉片
在葉輪出口側(cè)增加分流葉片將增加泵的揚(yáng)程和水力效率，且隨著分流葉片長度的增加，揚(yáng)程和效率增加的幅度越大[10]。分流葉片的長度通常不超過原始葉片長度的0.5倍，具體與葉輪的大小、葉片的形狀及葉片數(shù)等相關(guān)。
4）葉輪葉片出口邊修整
磨銼葉輪出口葉片背面，擴(kuò)大了葉輪出口流道面積，從而增加了葉輪的流量。隨著出口流道面積的擴(kuò)大，揚(yáng)程也會(huì)增加，泵的最佳效率點(diǎn)會(huì)向大流量側(cè)偏移。
05
特別說明
隨著計(jì)算技術(shù)和ANSYS等分析軟件的迅速發(fā)展，使得數(shù)值模擬和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）成為研究和評(píng)價(jià)水泵最佳特性的較好工具之一。這種類型的模擬在預(yù)測和估計(jì)泵性能的許多特性方面非常有用，并且在任何進(jìn)一步的步驟之前給出了許多解決方案。
因此，在離心泵葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，離不開CFD的支持。通常，先設(shè)計(jì)出幾種不同的水力方案；接著利用CFD進(jìn)行模擬分析；最后根據(jù)分析結(jié)果選出一種最符合設(shè)計(jì)要求的方案。
利用CFD進(jìn)行模擬分析是一種有效的設(shè)計(jì)和估算水力設(shè)計(jì)的方法，可以減少時(shí)間、降低成本、提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。它可以在很大的范圍內(nèi)減少誤差，并提供可供選擇的解決方案。
參考文獻(xiàn)