沙粒粒径对高比转速离心泵非定常特性的影响

在离心泵实际运行环境中,固液两相流中存在的沙颗粒会直接影响离心泵运行的效率及稳定性,因此,以一比转速ns=157的离心泵为例,对不同粒径沙粒在泵中的运动特性进行了仿真模拟分析。首先,采用CFturbo及UG等软件对离心泵进行了三维建模及优化处理,使用ICEM软件对模型进行了全流域网格划分,使其达到了计算精度要求;然后,利用ANSYS商业软件进行了计算前处理,再结合Mixture多相流模型与Finnie磨损模型设计了五种不同沙粒粒径,并对其进行了全流道仿真模拟;最后,根据仿真计算结果分析了不同粒径沙粒在泵流道中的运动分布、磨损情况及其对泵的瞬态影响。研究结果表明:在粒径为0.04 mm~0.2 mm范围内,沙粒直径每增大0.04 mm,泵扬程降低1.3%左右,效率降低0.6%~1.5%;沙粒主要聚集在叶片吸力面外侧尾缘处、泵前盖板、蜗壳隔舌处,且其浓度与沙粒粒径大小呈正比关系;沙粒粒径每增加一个梯度,其在吸力面分布面积将增加约5%,最高占叶片面积约35%;由于结构差异,在蜗壳流道内,低直径沙粒更容易悬浮在流道中造成聚集,在叶轮流道中较大直径的沙粒会由于摩擦力而聚集;以粒径0.08 mm为界,小直径沙粒引起的压力脉动幅值与径向力增长的速率均小于大直径沙粒。

基于流固耦合低比转速离心泵叶轮强度及疲劳寿命分析

综合考虑离心泵工作时叶轮真实的应力及变形状态,基于Ansys Workbench软件平台运用计算流体动力学分析软件CFX对离心泵模型叶轮进行了流固耦合数值模拟,计算了叶轮在离心力以及CFD压力载荷共同作用下离心泵叶轮强度,确定了在旋转过程中受到周期性交变应力的作用下,叶轮上最大应力的位置。最后运用nCode Designlife软件叶轮进行疲劳寿命预测,结果表明,最大应力位于叶片出口边缘与盖板交界的位置,且循环交变动应力是引起叶轮疲劳损伤的主要原因。叶轮满足无限寿命疲劳强度设计,叶轮无疲劳破坏风险。

径向间隙对离心泵流动特性影响数值模拟研究

针对离心泵非定常流动所引起的蜗壳流道内的压力脉动以及叶轮上的径向力问题,提出改变蜗壳基圆直径的方法来改变叶轮与隔舌之间的间隙,从而改变蜗壳内的压力脉动和叶轮上的径向力。基于SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法,研究了径向间隙对蜗壳压力脉动以及叶轮上的径向力的影响。分别设计了4种不同基圆直径的蜗壳,蜗壳基圆直径分别为180、184、200、220 mm,其对应的间隙率分别为3.45%、5.75%、14.94%、26.44%。通过对4种模型进行非定常计算,获得不同间隙率下蜗壳内壁的压力脉动特性和作用在叶轮上的径向力。结果表明:偏离设计工况时,叶轮所受的径向力达到设计工况的5~7倍,且径向力的脉动幅值达到设计工况10倍以上;随着间隙率的增大,叶轮所受的径向力脉动幅值减小;当间隙率从5.75%增大到26.44%时,隔舌处压力脉动的脉动幅值减小50%以上;随着间隙率的增大,蜗壳内壁的压力脉动的脉动幅值均减小;当间隙率为26.44%时,蜗壳内壁的压力脉动的脉动幅值约为间隙率为5.75%时的50%;在小流量工况下,适当增大间隙率可以减少叶轮流道内涡的生成。