漫談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計
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行可靠性。本文從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗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。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，對于離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計，作者在微信公眾號《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)驗的學(xué)科，還存在很多無法準(zhǔn)確設(shè)計/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的流態(tài)及其對泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗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（對于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對于蝸殼式泵）之間的間隙大小相關(guān)。
多年來，許多作者研究并報告了上述一些因素對泵汽蝕的影響。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 NPSHi 的一般表達(dá)式。Schiavello等人，1989年，對汽蝕試驗臺進(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)計對其吸入性能的影響。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)計人員普遍通過加大葉輪入口直徑的方法來實現(xiàn)。今天，這種設(shè)計方法在離心泵的工程設(shè)計中還在一直使用。
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)定運行區(qū)間變得很窄。
2）葉片前緣形狀
Ravi Balasubramanian等對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，因為此輪廓可以輕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)口邊各點的相對液流角不同。為了符合這種流動情況，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，還會改善大流量下的運行環(huán)境，以減少流量損失。但是，沖角不能太大，否則會影響效率[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，從而減小對主流的影響）。研究表明，在葉輪上開平衡孔時，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略微增加NPSHR。但當(dāng)直徑減小5% 至10%時， NPSHR將明顯增加，這是因為葉片長度減小會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：
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（對于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對于蝸殼式泵）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，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)可以改善液體流動情況，適當(dāng)提高泵的揚程。但葉片數(shù)增加后會減少流道過流面積，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，會使揚程特性曲線（從額定點）至關(guān)死點的上升趨勢變得平緩；相反，隨著葉片數(shù)的減少，揚程特性曲線會變得陡峭。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，因為它可以有效阻止任何由于葉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
試驗表明，扭曲葉片的泵在設(shè)計工況點附近及大流量區(qū)域要比圓弧葉片的泵具有更高的效率。同時，具有扭曲葉片的泵其關(guān)死點揚程要比圓弧葉片高（會改變揚程特性曲線至關(guān)死點的上升趨勢，特別是對于低比轉(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，因此其效率通常會低于全尺寸葉輪。
對于徑向流葉輪，其直徑不應(yīng)減小到最大設(shè)計直徑的70% 以上。泵葉輪直徑的減小也會改變出口流道寬度、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，且最高效率點會往小流量方向偏移。
04
其它參數(shù)對泵性能的影響
1）葉輪葉片寬度
隨著葉片寬度的增加，液體壓力下降，因此揚程會隨著葉輪葉片寬度的增加而減??；葉片寬度對最佳效率點的效率影響通常不明顯（隨著葉片寬度的增加，最佳效率點的效率可能會略有增加），但高效區(qū)會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的右側(cè)會迅速下降。
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，但代價是降低了揚程。因此，出口葉片角通常需要進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)這些因素的平衡[8]。揚程隨出口葉片角的增大而增大，這可以通過相對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，在最高效率點右側(cè)泵的效率會迅速下降。
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程和水力效率，且隨著分流葉片長度的增加，揚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，揚程也會增加，泵的最佳效率點會向大流量側(cè)偏移。
05
特別說明
隨著計算技術(shù)和ANSYS等分析軟件的迅速發(fā)展，使得數(shù)值模擬和計算流體力學(xué)（CFD）成為研究和評價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)計過程中，離不開CFD的支持。通常，先設(shè)計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)計要求的方案。
利用CFD進(jìn)行模擬分析是一種有效的設(shè)計和估算水力設(shè)計的方法，可以減少時間、降低成本、提高設(shè)計準(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)