排气孔参数及叶顶间隙对除气泵性能影响的研究.pdf
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1、液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.002排气孔参数及叶顶间隙对除气泵性能影响的研究周鹏程,杨军虎?,徐金鹏,马俊1(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 3 0 0 5 0;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州7 3 0 0 5 0摘要:以一种由半开式离心主泵和内置液环真空泵组合而成的新型半开式除气泵为研究对象,探究其离心叶轮后盖板开设的排气孔的参数以及叶顶间隙对此泵除气性能的影响,由孔径d孔的径向位置r孔的周向位置、叶顶间隙组成四因素三水平的9 组正交试验方案,通过正交试验探究出各因素的最优组
2、合方案,得到最终的优化组合方案为d=19mm,r=70mm,=20,8=0.6mm。对比设计流量下优化除气泵与初始除气泵的除气率发现,优化除气泵的除气率提高了2 2.8 2%,达到了优化除气泵性能的目的。观察优化前后除气泵内流场的变化发现,优化除气泵离心叶轮流道内的气相聚集区域更少,湍动能更小,由此可见合理地布置排气孔以及调整叶顶间隙可以改善除气泵内的气液两相分布情况与流动状态,进而提升泵的性能。关键词:排气孔;叶顶间隙;除气泵;气液两相流;正交试验中图分类号:TH137;TH138;TH311The Influence of Degassing Hole Parameters and Tip
3、 Clearance on(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems,Gansu Province,Lanzhou 730050,China)Abstract:In this paper,a new type of semi-open degassing pump,which is a combination of a semi-open centrif
4、ugal main pump and a built-in liquid ring vacuum pump,is investigated to find out the influence of the parameters of the degassing hole opened in the back cover of thecentrifugal impeller and the influence of the clearance at the top of the impeller on the degassing performance of this pump.The opti
5、mizedcombination of d=19 mm,r=70 mm,3=20,and 8=0.6 mm was obtained by comparing the air removal rate of the optimized pump withthat of the initial pump at the design flow rate.The change of the flow field in the pump before and after the optimization was observed,and itwas found that the optimized p
6、ump had less gas phase gathering area and less turbulent kinetic energy in the centrifugal impeller flow channel,which showed that the reasonable arrangement of the degassing holes and the adjustment of the impeller tip clearance could improve the gas-liquid phase distribution and flow state in the
7、pump,and thus improve the pump performance.Key words:degassing hole;tip clearance;degassing pump;gas-liquid two-phase flow;orthogonal test0引言泵作为一种通用流体机械,广泛应用于各种场合,在一些化工工艺场合,需要抽送一定含气量的液体,且需将气体从气液两相介质中排出,如何实现这一需求,除气泵是一种典型的能满足这一需求的泵。如图1所示,研究对象为由半开式离心叶轮和真空叶轮组合而成的除气泵,半开式叶轮叶顶间隙可调节,排气孔均布收稿日期:2 0 2 3-0 4-2
8、8基金项目:国家自然科学基金(5 2 16 9 0 19)作者简介:周鹏程(19 9 8-),男,山东潍坊人,硕士研究生,主要从事特种泵流动机理的研究。8文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 0 8-0 7Degassing Pump PerformanceZHOU Peng-cheng,YANG Jun-hul-2,XU Jin-peng,MA Jun空泵排出泵外。除气泵性能的影响因素主要有:离心叶轮后盖板上排气孔的位置,包括径向位置和周向位置,以及排气孔的孔径大小;半开式离心叶轮的叶顶间隙大小。本研究主要针对上述两大因素对除气泵性能的影响进行探
9、究。国内外学者已对泵内的气液两相流动现象以及叶顶间隙对泵性能的影响做过研究。KIM等 采用CFX软件中基于欧拉-欧拉方法的非均匀模型,并选择SST在离心叶轮的后盖板上。此泵可输送体积含气率为8%的气液两相介质,且能够排除混合介质中的气体。气液混合物进人泵内后,液体流经离心叶轮,由蜗壳汇集排出,气体流经排气孔,进入背叶片与后腔,再由真Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024引起泄漏量变化的主要因素。李玲玉等9 研究发现叶顶间隙会导致叶顶区域附近的流场不稳定。王鹏等10 对气液两相三级混输泵进行数值模拟发现合理的叶顶排气孔间隙对叶轮内的气液两相分布情况具有明显的改
10、善作叶顶间隙用。张青扬等1 对某半开式离心泵进行数值模拟发现,增大叶顶间隙会使叶轮流道中高压流体沿轴向的泄漏量增加,进而导致流道内压力梯度减小。王向前等12 结合实际生产经验,总结了测量叶顶间隙值误差较小的方法。综上所述,现有的研究主要针对单一离心泵内的气液两相流动现象,对组合泵的研究还鲜有耳闻,现有离心式主泵内置真空泵图1除气泵装配图流模型与离散项零方程联合计算液相、气相瑞流运动,对多相泵结构进行了试验设计最终优化了效率。LINDKEN等2 采用一种新的PIV装置对泵内气相和液相的速度同时进行测量,同时提供了一种描述气泡影响液相湍流特征的方法。黄思3 利用Fluent采用欧拉方法的双流体瑞流
11、模型计算多级轴流式泵内高含气状态下的三维气液两相流场,研究发现叶轮内液相相对于气相受到较大的离心力而被甩到了轮缘附近。袁建平等4 基于Eulerian-Eulerian 非均相流模型,相间阻力作用采用SchillerNauman模型,在不同进口含气率工况下对离心泵内流场进行数值模拟发现:在叶片进口边压力面气相浓度较高处,会产生漩涡;当进口含气率增大时,叶轮流道内靠近吸力面处会出现相态分离现象,气相有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势。卢金铃等5 采用欧拉模型对离心泵叶轮内部的气液两相泡状流动进行数值模拟分析发现:在叶轮流道中靠近轮盘附近含气率较低,轮盖附近含气率较高,在轮盖侧吸力面入口附近气泡
12、容易凝聚,而导致含气率较高。罗兴等6 以某一气液两相离心泵为研究对象,基于欧拉-欧拉非均相流模型和SST瑞流模型,对不同含气率下离心泵的瞬态特性进行数值模拟发现随着进口含气率的增大,气液两相在叶轮内分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮的受力不均。闫思娜等7 对不同进口含气率下的气液两相流离心泵进行数值模拟,得到叶轮相对叶高方向以及半径方向的含气率分布。刘正先等8 研究叶顶间隙值对半开式离心叶轮的气动性能的影响发现,间隙涡流与主流交汇造成的能量损失是引起叶轮性能下降的主要原因,叶顶载荷是的研究成果:在进口含气率为8%时,气相主要分布在0.550.8倍叶轮半径处,且主要聚集在叶轮进口附近
13、;增大叶顶间隙会使泵的性能降低等对本研究具有指导性意义。1除气泵介绍1.1参数介绍这里研究的半开式除气泵的设计流量Q=200m/h,额定转速n=1450r/min,清水时的扬程H。=18m,设计工况下的气相体积含气率IGVF=8%,以水和空气为介质。初始除气泵的叶顶间隙值为0.65mm,初始排气孔的直径大小为14 mm,径向位置在以叶轮中心为圆心,半径为9 0 mm的圆上,周向位置为叶轮流道中间。初始排气孔示意图如图2 所示,除气泵的离心式主泵和内置真空泵的主要参数如表1和表2 所示。图2 初始排气孔示意图2计算模型与网格划分2.1网格划分使用三维绘图软件Creo根据相关设计参数对除气泵的过流
14、部件进行水体绘制,绘制的计算域模型如图39液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期所示,主要过流部件从左到右依次为进口延伸段、叶顶间隙、离心叶轮、排气孔、蜗壳、背叶片、后腔、真空泵进口、真空泵叶轮、真空泵泵体、真空泵出口。为了保证数值模拟具有较好的准确性,采用ICEM软件对计算域的各过流部件进行结构化网格划分,最终网格数为4 0 2万,整体计算域的网格如图4 所示。表1除气泵离心式主泵主要结构参数参数数值离心式主泵进口直径D./mm150离心式主泵出口直径Da/mm125叶轮进口直径D,/mm150叶轮出口直径D,/mm256叶轮出口宽度bz/mm33叶片出口安放角2/()28叶片数Z/个6
15、表2 内置真空泵主要结构参数参数真空泵叶轮轮毂半径r/mm真空叶轮半径r2/mm真空叶轮壳体半径R/mm偏心距e/mm真空叶轮轴向长度b/mm真空泵壳体宽度B/mm真空叶轮叶片出口角2/)叶片数Z/个图3 计算域水体图10图4 计算域网格图2.2数值模拟设置数值模拟采用气液两相非定常计算方法,介质为水和空气,两相流模型采用Euler-Euler非均相流模型,控制方程采用连续性方程和动量方程,端流模型采用RNG k-湍流模型。叶轮3/r 为一个时间步长,进口设置为速度进口,且认为气液两相流体进口速度相同,离心泵出口和真空泵出口均设置为压力出口。固壁面边界条件设定为无滑移,近壁面处采用标准壁面函数
16、进行处理。3正交试验与方案设计数值3.1正交试验因素与取值30.51)因素 A:孔径70假设全部的气体都可经排气孔速度沿轴向排出,根据初始模型模拟的排气孔处的气体速度范围,结合82气体流量与速度和流经面积的关系,得出每个流道的11气体分布面积,由此得出孔径d范围为9.3 18.8 mm,50孔径尺寸分别选择为9,14,19 mm。2)因素B:径向位置50以叶轮圆心为中心,到排气孔所在圆的圆心距离72为半径做圆,以此圆半径的大小表示排气孔的径向位16置。基于前人研究成果在人口气体含气率为8%时,气相主要分布在0.5 5 0.8 倍叶轮半径处,因此排气孔的径向位置r选取为0.5 5 R,0.675
17、R,0.8R,即7 0,8 6,102 mm。3)因素C:周向位置孔在叶轮流道内对称分布,用孔心到叶片工作面的圆弧所对的圆心角表征孔的周向位置。由于叶轮的流道宽度从进口到出口是逐渐变宽的,结合前人研究经验,并综合考虑孔径大小与径向位置,使得孔的周向位置尽量考虑叶片工作面、流道中间位置以及叶片背面附近,因此选取周向位置的取值为2 0,2 5,3 0 排气孔的各参数示意图如图5 所示。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024泵进行模拟。对每组模型泵的内置真空泵出口气相质Q量流量和离心式主泵的进、出口压力进行监测,进而计算得出9 组方案对应的除气率和扬程,最终的正交
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