氟塑料離心泵蝸殼內壁不平整度對泵性能的影響

齊鳳蓮，趙 維，于雯秋

（沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽 110168）

0 引言

目前國內外絕大數關于離心泵內流場數值模擬的研究均沒有考慮葉輪和蝸殼等過流部件的表面粗糙度值。實際上，過流部件在加工制造過程及使用中不可避免的存在一定的粗糙度，通過查閱文獻可知，過流件的表面粗糙度對泵的性能有一定的影響。如A.J.斯捷潘諾夫在離心泵和軸流泵—理論、設計和應用[1]書中寫到在對某小流量泵的泵殼內壁進行光潔處理后，泵的效率提高4%左右；A.A.洛馬金在離心泵和軸流泵[2]書中記載某鑄造大流量泵的蝸殼和葉輪壁面在經過一定的機加工處理后，泵的設計效率點提高了約10%。目前已有少數關于粗糙度對泵性能影響的研究。鄭魁卿[3]通過實驗的方法研究了葉輪壁面的粗糙度對泵性能的影響；李龍[4]等人取0～0.7mm內九個表面粗糙度軸流泵在額定工況下進行了數值模擬，得到了不同粗糙度下泵的揚程、轉矩、軸功率及效率并分析了泵性能的變化。與以上直接選擇表面粗糙度值不同的是，張蘭金[5]等人使用連續17個三角形鋸齒作為葉片微觀粗糙表面的物理模型，研究了水輪機轉輪表面粗糙度對泵空化性能的影響。以上研究均是在微觀尺度上面對泵的性能進行研究，實際上由于泵在使用過程中會不斷發生磨損，經過一定程度的累積，泵過流部件壁面將不可避免的存在宏觀上的凹坑，因此有必要研究宏觀上可見的沖蝕凹坑對泵內流場及外部性能的研究。

實際上，上面的模擬研究都做了一個基本假設，即假設蝸殼內壁光滑，但是蝸殼、葉輪內壁除了在制造過程中不可避免地存在宏觀上的不平整性之外，且在使用過程中，磨損更加劇了壁面的不平整。為使性能預測更接近實際情況，在對氟塑料離心泵性能預測及實驗對比分析的基礎上，根據流體力學的基本原理，對改進后的扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵蝸殼內壁不平整度（粗糙度）對泵性能的影響進行一定的嘗試性研究。

1 氟塑料離心泵磨損凹坑物理模型的建立

考慮到能如實地描述蝸殼內壁磨損形態及建模的可行性，采用一定大小的球冠體來表征蝸殼內壁由磨損造成的不平整度，即用球冠體作為磨損凹坑的物理模型，用R表征凹坑的半徑，H表征凹坑的深度。球冠體的尺寸如表1所示。

表1 球冠體的尺寸

由于蝸殼表面是曲面，因此在其表面的各個位置上增加球冠體難度較大，最容易的地方就是在蝸殼中心截面上。因此本文假設凹坑在蝸殼中心截面沿圓周方向依次分布，即凹坑的中心軸位于蝸殼中心截面內，且與蝸殼表面垂直。對于球冠體個數的選擇，由于不同的個數會導致在GAMBIT中劃分網格時產生不同數目的面，每次都需要重新設置邊界條件，因此工作量十分大，綜合考慮，本文指定如圖1所示8個球冠體，其中心軸與X軸的夾角依次為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。

圖1 蝸殼內壁磨損的氟塑料離心泵三維模型

2 研究方案

根據文獻[3-5]中粗糙度對泵性能影響的研究，粗糙度值在達到一定數值時才會對泵的性能產生顯著影響。對于宏觀上的不平整度對泵性能的影響，應該與上述情形類似。因此，在做詳細的模擬研究之前，首先需要確定能對泵性能產生明顯影響的球冠體的R、H值。本文通過計算不同R、H的扭曲葉輪的氟塑料離心泵在額定工況下的揚程，并與沒磨損前的扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵揚程進行對比和確定。圖2為不同R、H下磨損后的扭曲葉輪氟塑料離心泵的的揚程。從圖中可以看出，隨著R值的增大，揚程有不斷下降的趨勢。在R≤4mm時，H值基本上沒有變化。當R>4mm時，揚程逐漸下降，但幅度較平緩，在R=6mm時的揚程相比初始值下降了約4.61%。在R=8mm時，揚程為16.07m，相比初始值下降了10.07%。此后，揚程迅速下降，在R=9mm時，揚程已降為15.29m，相比初始值下降了15.05%，因此在蝸殼內壁形成類似R=9mm、H=4.5mm的凹坑時，泵的揚程已經顯著下降，此時應該通過熱熔或者其他的方法對蝸殼內壁進行修復。

在確定了R值之后，針對氟塑料離心泵的工作特點，以清水為介質，在40m3/h、80m3/h、120m3/h、160m3/h、200m3/h、210m3/h、220m3/h、230m3/h、240m3/h九個工況下，對磨損后的扭曲葉輪氟塑料離心泵進行內部流場數值模擬。

圖2 不同R值下扭曲葉片氟塑料離心泵的預測揚程

3 計算結果分析

3.1 外特性對比分析

為與沒有磨損前扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵的流場及外特性進行對比分析，在獲取磨損后扭曲葉輪氟塑料離心泵內部流場時采用相同的截面。由于泵的外特性是其內部流場外部反應，因此對揚程、功率、效率外特性進行綜合對比分析。圖3、圖4、圖5分別為扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵在磨損前和磨損后的外特性曲線對比。

圖3 扭曲葉片葉輪葉輪氟塑料離心泵在磨損前和磨損后揚程-流量特性曲線對比

圖4 扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵在磨損前和磨損后功率-流量特性曲線對比

圖5 扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵在磨損前和磨損后效率-流量特性曲線對比

從圖3～圖5可以看出，氟塑料離心泵在磨損前和磨損后外部性能曲線基本相似，只是各參數值之間有所差別。在以上各工況下，磨損后的扭曲葉輪氟塑料離心泵的揚程和效率均比磨損前有所下降。在小于額定流量工況時揚程下降較快，基本在2m以上，在額定流量工況時揚程下降了約2.3m。在大于額定流量工況時，揚程下降的幅度變緩，在240m3/h工況時，揚程下降了約1.1m。磨損前和磨損后的軸功率只在120m3/h～220m3/h這段工況內有所降低，較小和較大流量工況時基本變化不大，軸功率變化不大的原因可能在于壓力矩和粘性力矩的反向變化。在各工況下，磨損后的效率下降值變化不大，基本都在5%左右，氟塑料離心泵的最高效率工況點并沒有發生改變。

3.2 內部流場分析

從前面的分析得知，不同工況氟塑料離心泵的內部流動特征是相似的，因此這里針對外特性變化較大的額定工況200m3/h，在Z=0的中心截面，對扭曲葉輪氟塑料離心泵磨損前后的蝸殼與葉輪內部流場進行對比分析。圖6為扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后中心截面蝸殼內速度矢量圖。圖7為扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后中心截面葉輪內速度矢量圖。圖8為扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后中心截面葉輪內總壓云圖。

圖6 扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后蝸殼中心截面速度矢量圖

圖7 扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后葉輪中心截面速度矢量圖

圖8 扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵磨損前后葉輪中心截面總壓云圖

從圖中可以看出，扭曲葉輪氟塑料離心泵磨損后的葉輪出口邊緣平均總壓比磨損前小，或者說蝸殼內壁凹坑的存在使得扭曲葉輪氟塑料離心泵磨損后的水力損失相比磨損前更多，另外葉輪進口的負壓區域及位置均有所改變，這說明蝸殼內壁的改變對葉輪內部流場有一定影響。這種影響也可以從葉輪內絕對速度矢量圖中看出，磨損后氟塑料離心泵的葉輪出口處速度沖擊較大。從蝸殼內速度矢量圖可以看出，磨損前內部流體從葉輪出口進入蝸殼以及在蝸殼內部周向流動時較為流暢，而磨損后內流體流動則較困難，這說明凹坑的存在使得蝸殼內流體流動明顯受阻，這將進一步增加氟塑料離心泵的水力損失。

4 結束語

本文研究了由于蝸殼內壁磨損造成的不平整（粗糙度）對扭曲葉輪氟塑料離心泵外特性的影響?？偨Y如下：

1）通過三維建模軟件Proe/E構造類似于凹坑的球冠體來代替氟塑料離心泵磨損的物理模型。

2）計算了在額定工況下，以清水為介質，對扭曲葉片葉輪氟塑料離心泵在不同球冠體尺寸下進行內流場數值模擬，確定對離心泵性能影響最佳的球冠體尺寸。

3）在特定尺寸球冠體下進行了9種工況下的內流場數值模擬，繪制了磨損后氟塑料離心泵的的外特性曲線，并與磨損前進行了對比分析，分析了蝸殼內壁不平整度對氟塑料離心泵性能產生的影響。

[1] A.J.斯捷潘諾夫.離心泵和軸流泵-理論、設計和應用[M].北京:機械工業出版社,1980.80-82.

[2] A.A.洛馬金.離心泵和軸流泵[M].北京:機械工業出版社,1978:105-107.

[3] 鄭魁卿.離心泵葉輪流道表面粗糙度對效率的影響[J].水泵技術,1989,(1):9-13.

[4] 李龍,王澤.粗糙度對軸流泵性能影響的數值模擬研究[J].農業工程學報,2004,20(1):132-135.

[5] 張蘭金,常近時.轉輪表面糙度對水泵水輪機泵工況水力性能的影響[J].水力發電學報,2008,27(2):125-129.

[6] 談明高,劉厚林,吳賢芳,王勇,王凱,付猛.粗糙度對離心泵性能數值預測的影響[J].中國農村水利水電, 2011,(2):131-134.

[7] Mona Golbabaei.Experimental and FEM failure analysis and optimization of a centrifugal-pump volute casing[J].Engineering Failure Analysis,2009,(16):1996-2003.