一種新型離心泵的流體特性分析

方思源，程雙勝

?

一種新型離心泵的流體特性分析

方思源，程雙勝

（武漢船用電力推進研究所，武漢 430064）

本文針對某產品配套的離心泵中出現的問題，提出了一種新型的離心泵結構，該結構采用磁懸浮支承，并對該離心泵的泵腔和葉輪結構進行優化，利用FLUENT軟件對其進行壓力場、速度場等流體仿真分析。分析該離心泵可以滿足設計要求。

離心泵 磁懸浮 流體仿真

0 引言

某產品在強酸性或強堿性等惡劣條件下運行，通過該產品配套的離心泵輸送液體，由于傳統的離心泵采用普通軸承支承，在惡劣環境下，普通軸承長期摩擦容易損壞，而且軸承潤滑油在強酸性或強堿性條件下會失去功效，從而影響離心泵的運轉和使用壽命。而磁懸浮支承是一種無接觸的支承[1]。這種支承方式可以使葉輪轉子無摩擦、無潤滑，有效提高離心泵的運轉性能和使用壽命。本文提出了一種新型的采用磁懸浮支承的離心泵，并對其進行了壓力場、速度場等流體仿真分析，對今后磁懸浮技術在離心泵中的應用具有一定的指導意義。

1 整體結構圖

圖1為離心泵結構示意圖。采用永磁和電磁構成一種混合支承系統[2,3]。通過三個電磁鐵控制三個方向的自由度，通過永磁環和電磁鐵的特殊結構產生向心效應，結合流體的作用來控制徑向方向的兩個自由度,從而使葉輪轉子穩定懸浮；將一對N極朝上的永磁體和一對S極朝上的永磁體交替安裝在葉輪轉子下方，并將鐵軛與永磁體接觸，用鋁蓋以及特殊抗腐蝕材料密封形成葉輪。

圖1 離心泵結構示意圖

1.泵腔 2.密封圈 3.電渦流傳感器 4.泵蓋 5.入口 6.電磁鐵和線圈 7.葉輪轉子軛 8.外永磁環 9.出口10.葉輪 11.電機定子線圈 12.電機轉子永磁體13.葉輪蓋 14.電機轉子軛 15.電機定子 16.電機定子軛 17.電機安裝槽

2 葉輪和泵腔結構

設計要求某產品配套的離心泵總流量要達到10 m3/h，揚程為8 m。取泵的葉輪轉子轉速為2000 rpm，流量取10m3/h, 揚程取8 m，根據公式（1）可以計算出比轉速:

然后采用速度系數法，以相關的離心泵的設計理論為基礎，根據現有的常規的離心泵設計的基礎公式計算出相應的流速系數和粗略的尺寸參數，然后通過分析國內外多種離心泵的葉輪型號與葉型曲線，結合計算出來的尺寸參數對葉輪的外形尺寸進行優化與調整，得到最佳性能的葉輪結構。葉輪結構的相關參數如表1所示：

表1 葉輪結構參數

查閱離心泵手冊，從泵送液體的效率出發，螺旋形蝸室的泵腔相比環形蝸室的泵腔泵送液體的效率更高，并且液體在泵腔內流動更穩定，因此本文選用螺旋形蝸室，泵腔結構的相關參數如表2所示：

表2 泵腔結構參數

3 FLUENT仿真

3.1 網格劃分與邊界條件設置

離心泵中流動的是酸液。假設酸液為不可壓縮的牛頓流體[4]。酸液密度為1.395× 103kg/m3，酸液粘度為3.547 × 10-3kg/(m·s)。湍流模型取標準k-ε湍流模型以及標準壁面函數法[5]。壓強速度耦合算法為SIMPLE算法[6]。取揚程為8 m,轉子的轉速2000 rpm,流量10 m3/h。采用速度入口邊界條件inlet與流量出口邊界flowout以及固壁邊界條件wall。

3.2 離心泵的壓力場與速度場效果圖

圖2 壓力場效果圖

從圖2可以看出，液體在離心泵內各個區域的壓力分布相對均勻，液體從葉輪進口進入，到達葉輪流道，液體通過葉輪的高速旋轉，液壓從葉輪中心到外徑處是逐漸增大的，然后液體被甩入到蝸殼流道，蝸殼內部的截面積逐漸增大，最終液體以最大液壓從出口流道流出。

從圖3可以知道各區域的速度分布，液體從離心泵的入口處流入，然后通過葉輪入口以較低的流速均勻流入到葉輪流道，幾乎看不到流動分離，液體通過葉輪的高速旋轉，流速從葉輪中心到葉輪外徑處逐漸加快，在葉輪外徑與蝸室入口交匯處達到峰值，從蝸室入口到擴散管再到出口流道，流速逐漸降低。

圖3 速度場效果圖

3.3 不同磁懸浮間隙下揚程、出口流量與轉速的關系

取磁懸浮間隙分別為2 mm、4 mm、6 mm，葉輪轉速分別為1500 rpm、1800 rpm、2000 rpm、2500 rpm，然后對其進行fluent仿真分析，得出不同磁懸浮間隙下揚程與轉速的關系如圖4所示，出口流量與轉速的關系如圖5所示。

圖4 揚程與轉速關系

圖5 出口流量與轉速關系

由圖4、圖5可以看出，在同一磁懸浮間隙下，揚程和出口流量隨著葉輪轉速的增加呈遞增趨勢；在同一轉速下，揚程和出口流量隨著磁懸浮間隙的增大也是呈遞增趨勢的。綜合考慮出口流量及其揚程的相關參數，我們可以得出結論：磁懸浮間隙在4 mm條件下，通過控制葉輪轉速，使其處于1800~2000 rpm范圍內，離心泵的運行比較穩定，也最能滿足設計要求。

4 總結

通過以上仿真分析可知，所設計的葉輪和泵腔可以滿足某產品的性能要求，并且通過改變離心泵的葉輪轉速和磁懸浮間隙，可以不斷調整離心泵的整體性能，直至達到最佳要求，也為今后磁懸浮技術在離心泵中的應用奠定了理論基礎。

[1] 張士勇. 磁懸浮技術的應用現狀與展望[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2003, (3): 63-65.

[2] 王莉,熊劍,張昆侖. 永磁和電磁構成的混合式懸浮系統研究[J]. 鐵道學報, 2008, 27（3）: 50-54.

[3] 王懷穎. 永磁偏置的磁力軸承的研究[J]. 南京師范大學學報, 2008,(1): 38-41.

[4] 郭鵬程, 羅興锜, 劉勝柱. 基于三維紊流數值計算的離心泵葉輪優化設計[J]. 機械工程學報, 2008，(4): 181-184.

[5] 楊敏官, 劉棟, 賈衛東, 康燦, 顧海飛. 離心泵葉輪內部三維湍流流動的分析[J]. 江蘇大學學報, 2006, (6): 524-527.

[6] 盧池, 陳次昌, 楊昌明, 徐來福. 低比轉速離心泵內部流場的數值模擬[J]. 排灌機械, 2005, 6: 6-9.

Analysis on Fluid Properties of a New Centrifugal Pump

Fang Siyuan，Cheng Shuangsheng

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2013）10-0020-03

2012-11-14

方思源（1986-），男，助理工程師。研究方向：機械制造。