轉速變化對離心泵性能的影響

韓晨 張紅欣 湯吉昀 妥林

摘?要：為了探討轉速對離心泵水力性能的影響，本文以不同轉速離心泵為研究對象，采用數值模擬的方法得到不同轉速下離心泵定常流動時的流場分布規律和外特性曲線。研究結果表明：隨著轉速的增加，離心泵的揚程和功率都會增加，但效率會有所下降，并分析了不同轉速下壓力云圖和速度云圖的分布情況，發現隨著轉速的增加靠近隔舌位置的葉輪流道會有明顯的沖擊損失，在離心泵轉速增加的情況下，液體在進入泵內時的動能增加，泵的攪拌效應也增強，進一步改善了泵的性能。但是，當轉速過高時，液體在進入泵內時的動能會大幅增加，引起能量損耗和渦流損失，影響泵的效率和性能。

關鍵詞：離心泵；數值模擬；轉速

泵作為工程常用流體機械，其作用就是為輸送的流體供能［1］，離心泵由于結構簡單、運行穩定、便于使用和維修方便等優點可應用于多個領域。例如農業水利工程、城市給排水、火電廠等行業，交通、醫藥等國民經濟部門［23］。轉速是離心泵性能參數中較重要的參數之一，轉速的變化將直接影響到其他幾個重要參數的明顯改變［4］。因此本文從離心泵的三維建模開始，模擬分析了離心泵在不同轉速工況下的性能差異［5］。

轉速是影響離心泵性能的重要因素。2012年，彭天好［6］等對不同轉速泵控馬達調速系統產生轉速降落的原因進行了實驗研究，通過編制Lab?View測控程序，最后，實現了變速泵控電機調速系統在不同工況下的轉速降補償，2016年，齊濟［7］等研究了離心泵轉速對工作點參數的影響，利用離心泵特性曲線測定裝置，當閥門開度不變時，通過測試多組離心泵不同轉速運行，測量了系統管路在不同開度下的特性曲線，探討了離心泵在實驗條件下的合適管路，為離心泵在實際應用中的節能高效利用提供了依據，2017年，楊陽［8］等對深井泵在不同轉速工況下的性能進行了數據處理和仿真實驗，分別在多組不同轉速下進行了多工況數據處理，得出結論：深井泵在不同轉速下的水頭和功率預測值基本符合相似轉換準則，泵效率隨著轉速的增大而增大。

基于以上原因，采用數值模擬方法研究轉速對離心泵性能影響的必要性越來越高。通過數值模擬方法，本文分別以2300r/min、2850r/min、3400r/min三個轉速對離心泵的性能進行研究，以獲取離心泵在不同轉速下的流量、揚程、效率等性能參數，為離心泵優化和工程設計提供重要的參考依據。

1?離心泵的物理模型及數值模擬方法

1.1?離心泵物理模型

本文選取的離心泵的設計參數為流量Q=35m3/h、揚程H=30m、轉速n=2850r/min，該模型的具體參數如表1所示。離心泵全流場模型示意圖如圖1所示。

1.2?離心泵的網格劃分

兼顧計算精度和可信度，采用ICEMCFD為網格劃分軟件，選擇?Tetra?/?Mixed網格類型，考慮到葉輪葉片進口位置和蝸殼隔舌位置面積相對較少，因此對該部分區域進行網格加密，進口延長段和出口延長段以及葉輪和蝸殼的網格如圖2所示。

2?性能分析

2.1?不同轉速壓力云圖分析

圖3～圖5是通過CFXPost處理后的三組不同轉速下葉輪、蝸殼與葉片的壓力分布云圖如下：（注：A、B、C分別表示2300r/min、2850r/min與3400r/min）

從圖3中可以看出，不同工況下葉輪內壓力由中心向邊緣呈梯度增加，各個流道間壓力分布相似，葉輪進口壓力分布最低。當離心泵的轉速較低時，泵的進口壓力隨著流量的增加而逐漸升高，隨著轉速的增大，泵的進口壓力開始下降。

這是由于離心泵轉速增加，流量增大，液體在進入泵內時會受到更強的離心力，導致在泵的進口處形成一個較強的低壓區。同時，離心泵的出口壓力也隨著流量增加而上升，從而增大了壓力差，使得進口壓力越來越低。

從圖4中可以看出，當離心泵轉速較低時，由于進入蝸殼的液體流量較小，流體沿著蝸殼內流動時，流體會與蝸殼內壁產生垂直方向的沖擊，從而使蝸殼壁處的壓力降低。隨著離心泵轉速的增加，進入蝸殼的液體流量增大，流線逐漸變得平緩，沖擊現象降低，使得蝸殼內徑各處的壓力分布更加均勻。離心泵的轉速進一步增大，流體的流動速度會增加，可能引起蝸殼葉輪入口處低壓區的位置向后移動，同時還會出現渦流現象，導致蝸殼壓力分布不均勻。

從圖5中可以看出，當離心泵的轉速較低時，流量較小，葉輪葉片前緣處的進口壓力比后緣處低。隨著離心泵轉速的逐漸增大，進入葉輪的流量增大，由于在離心作用下葉片前緣處低壓區開始擴大。如果離心泵的轉速進一步增大，流體流動過程可能會出現邊界層分離，從而引起葉片失速現象。

2.2?不同轉速速度云圖分析

圖6顯示了離心泵蝸殼速度云圖的分布，可以看出轉速對離心泵速度云圖的影響比較明顯，當離心泵的轉速較低時，流體速度相對較低，導致云圖中速度的變化不太明顯。隨著離心泵轉速的逐漸增大，流量增大，流速增加，云圖中速度的變化則變得明顯，云圖速度出現明顯的局部高流速區域。離心泵的轉速進一步增大，流體的速度將大幅增加，高流速區域進一步增多。同時從圖中可以看出，在低轉速下葉輪流道內部存在較為明顯的低漩渦區間，隨著轉速的增大，由于流體通過葉片時產生的強烈轉向和加速，會導致流體分離和紊流區域的強化，從而漩渦區進一步擴散，進一步增加轉速漩渦區會減小，這是因為當轉速達到一定程度時，隨著慣性力的增加，流體可以克服漩渦的作用并與主流重新結合，從而減少或消除漩渦區域的存在。

2.3?不同轉速速度矢量場分析

從圖7可以看出，進口處流體流動相對均勻，從葉輪進口到葉輪出口的流速逐漸增大。這是因為進入葉輪之后的流體，由于葉輪的旋轉而對其做功，并受到離心力的影響，流體的能量不斷升高。從圖中也可以得出結論，蝸殼隔舌處的液體流動情況非常復雜。隔舌區域具有很明顯的撞擊，液體在這里受到很大的擠壓，所以在此處的動力損失比較大。

2.4?轉速變化對揚程、軸功率、效率的影響

從圖8中可以發現，當泵在設計工況點下工作時其效率最高，達到79.1％，當隨著轉速的改變時，泵的效率也會隨之改變，隨著轉速的繼續增大，效率也會增加至最大值。如若再增大轉速，效率就下降得比較明顯，離心泵的揚程和功率隨著轉速的增加會持續增加。

3?結論

（1）離心泵的揚程與轉速密切相關，當轉速增加時，液體的動能增加，進口處的靜壓力降低，所能承受的最大負壓降低，從而使得離心泵的揚程增加。

（2）隨著離心泵的轉速增大，流體進入泵內的動能轉換為壓力能的速率增加，因此泵的動能損失增加，對泵的效率也會產生重要影響，隨著轉速的增加離心泵的效率先增加后降低。

（3）蝸殼隔舌處的液體流動情況非常復雜。隨著轉速的增加，隔舌區域具有很明顯的撞擊，液體在這里受到很大的擠壓，所以在此處的動力損失比較大。

參考文獻：

［1］王凱.試論離心泵現代設計方法研究和工程實現［J］.山東工業技術，2016（03）：274.

［2］潘鳳芹.離心泵構造、揚程及其發展［J］.裝備制造技術，2015（5）：100102.

［3］楊曉珍.不同轉速對離心泵性能影響的試驗研究［D］.湖南農業大學，2004.

［4］徐玉朋.轉速提高對離心泵其他性能參數的影響［J］.石油庫與加油站，1999（04）：3133+5.

［5］裴毅，田莉，楊曉珍，等.轉速變化對離心泵性能的影響［J］.排灌機械，2007（04）：913.

［6］彭天好，樂南更.變轉速泵控馬達系統轉速降落補償試驗研究［J］.機械工程學報，2012，48（04）：175181.

［7］齊濟，河星武.離心泵轉速對工作點參數的影響［J］.大連民族大學學報，2016，18（05）：478481.

［8］楊陽.深井泵不同轉速下性能的數值計算與試驗研究［D］.江蘇大學，2017.

基金項目：2022年新疆維吾爾自治區自治區級大學生創新創業訓練計劃項目（S202210997002）；新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2021D01C008）

作者簡介：韓晨（1994—?），男，漢族，甘肅天水人，碩士，助教，從事離心泵優化設計和氣固多相流研究。

*通訊作者：妥林（1993—?），男，東鄉族，新疆伊寧縣人，碩士，助教，從事數值計算研究。