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摘要：離心泵依靠葉輪高速旋轉時形成的離心力實現(xiàn)對液體的抽取，不同結構的離心泵在工作性能上具有較大的差別，基于此，利用CFD流場數(shù)值分析原理對離心泵在不同葉片數(shù)量及葉片結構下的工作效率和工作揚程進行了分析，結果表明：不同葉片結構和葉片數(shù)量對離心泵的性能影響極大，當采用4組長、短葉片配合結構，短葉片向長葉片的安裝角為5°時具有最優(yōu)的工作性能。

關鍵詞：CFD;離心泵;葉片結構;優(yōu)化設計

引言

離心泵是井下排水系統(tǒng)的核心，為了提升井下排水作業(yè)時的有效揚程，通常采用增加葉輪葉片數(shù)量的方式，但葉輪葉片數(shù)量的增加會造成離心泵工作時的耗能進一步加大，因此如何優(yōu)化離心泵葉輪葉片數(shù)量和結構，提升離心泵的有效工作揚程和效率是需要重點解決的難題。

1離心泵水力設計參數(shù)

本文以某型離心泵為研究對象，該離心泵入口位置的泵口直徑為75mm，離心泵在出口位置的泵口直徑為215mm，其額定轉速為3450r/min，額定楊程為85m，額定流量為17m3/h，最大功率為12.2kW。為提高離心泵的揚程，需要對離心泵的葉輪的出口截面積和葉輪上葉片的安裝角進行調整，但離心泵出口截面積的增加會導致離心泵整體結構和成本的上升，還會導致離心泵在工作時的水力損失增大[1]，因此通常在泵的出口截面積一定情況下對葉輪葉片結構和葉片安裝角度進行調節(jié)，本文設計了兩種研究方案，離心泵的設計參數(shù)方案如表1所示，表中D表示離心泵出口位置的泵口直徑。對不同結構參數(shù)下的離心泵性能計算采用Navier-stokes數(shù)學方程[2]和k-ε方程[3]進行分析，在進行邊界條件設置時可根據(jù)離心泵在進口處和出口處的壓力條件確定。

2葉片數(shù)對離心泵工作流場的影響分析

為驗證在不同葉片數(shù)量下離心泵工作流場的變化情況，本文分別對所設定的兩種情況下的離心泵工作情況進行CFD數(shù)值模擬分析。湍動能是湍流速度漲落方差與流體質量乘積的1/2，其大小能夠直接反應離心泵葉輪工作時的水力的損失量。由仿真分析結果可知，在A方案下，離心泵工作時的液體將在離心泵出口位置形成明顯的旋渦區(qū)，在方案B下，離心泵將在進口和出口位置均未形成顯著的旋渦區(qū)，未造成流體動能的損失，離心泵內并無顯著的流體旋渦和回流，因此能量耗散量較小。而方案A產(chǎn)生較大流量損耗的原因在于葉片數(shù)量和葉片安裝角對流體的擾動過大，導致在流動過程中形成了明顯的湍流脈動沖擊，造成流體在流動過程中的穩(wěn)定性降低。

3葉片數(shù)及安裝角對離心泵工作性能的影響

為驗證葉片數(shù)量及安裝角對離心泵工作性能的影響，本文按照表1所示的結構參數(shù)分別對其進行分析，結果如下頁圖2、圖3、圖4所示。由圖2可知，在不同的離心泵結構下，方案A各泵的軸功率較大，方案B軸功率小，在1.5倍的額定流量的情況下，方案A離心泵的軸功率約為16.2kW，且方案A離心泵在變工況的范圍內軸功率迅速升高，即離心泵的葉片數(shù)量越多離心泵的軸功率越大。由圖3可知，在不同的離心泵結構下，方案A離心泵的揚程大于方案B，因此離心泵的葉片數(shù)量對于其工作時的揚程也具有較大的影響，方案B情況下?lián)P程降低，分析為其分流葉片的位置角度不規(guī)則所導致的流體在流動過程中的水力損失的增大。由圖4可知，不同技術參數(shù)下的離心泵的工作效率為方案A大于方案B，工作時的最高效率可達66%，結合不同工況下的湍動能和靜壓分布，在B情況下離心泵內部均會產(chǎn)生較大的流體旋渦，因此流體在流動過程中的效率會顯著降低。綜合分析可知：從功率上分析，其大小分別為A、B；從揚程上分析，其大小分別為A、B；從效率上分析，其大小分別為A、B。由此可知技術方案A情況下離心泵具有最優(yōu)的工作性能。

4結論

1）葉輪的葉片數(shù)量和安裝角度對離心泵工作性能影響顯著，合理選擇葉輪葉片數(shù)量和安裝角位置能夠改善葉輪的湍動能和靜壓；2）當離心泵的長葉片數(shù)量和短葉片的數(shù)量均為4個，葉片安裝角度為5°時離心泵的揚程、效率及軸功率能夠達到最優(yōu)的平衡點。

參考文獻

[1]袁壽其，何有世，袁建平，等.帶分流葉片的離心泵葉輪內部流場的PIV測量與數(shù)值模擬[J].機械工程學報，2006，42（5）：60-63.

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[3]黎義斌，趙偉國，王秀勇，等.離心泵變工況流場分析及數(shù)值模擬[J].蘭州理工大學學報，2007，33（6）：43-46.

[4]耿少娟，聶超群，黃偉光，等.不同葉輪形式下離心泵整機非定常流場的數(shù)值研究[J].機械工程學報，2006，42（5）：27-31.

作者:趙輝 單位:西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦機電科