一种新型离心泵的流体特性分析

船电技术ｌ应用研究　一种新型离心泵的流体特性分析　方思源，程双胜　（武汉船用电力推进研究所，武汉４３００６４）　摘　要：本文针对某产品配套的离心泵中出现的问题，提出了一种新型的离心泵结构，该结构采用磁悬浮　支承，并对该离心泵的泵腔和叶轮结构进行优化，利用ＦＬＵＥＮＴ软件对其进行压力场、速度场等流体仿真　分析。分析该离心泵可以满足设计要求。　关键词：离心泵磁悬浮流体仿真　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３．４８６２（２０１３）１０－００２０．０３　中图分类号：ＴＨ３１１　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐｕｍｐ　Ｆａｎｇ　Ｓｉｙｕａｎ，Ｃｈｅｎｇ　Ｓｈｕａｎｇｓｈｅｎｇ　（Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ｏｆ　ａ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ　ｗｉｔｈ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｏｎｅｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｕｍｐ　ｃａｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｌｌｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄ　ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆｔｈｅ　ＦＬＵＥＮＴ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｕｍｐ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ，＂ｍａｇｌｅｖ，＂ｌｕｉｆｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　个方向的自由度，通过永磁环和电磁铁的特殊结　０引言　某产品在强酸性或强碱性等恶劣条件下运　构产生向心效应，结合流体的作用来控制径向方　向的两个自由度，从而使叶轮转子稳定悬浮；将一　对Ｎ极朝上的永磁体和一对Ｓ极朝上的永磁体交　替安装在叶轮转子下方，并将铁轭与永磁体接触，　行，通过该产品配套的离心泵输送液体，由于传　统的离心泵采用普通轴承支承，在恶劣环境下，　普通轴承长期摩擦容易损坏，而且轴承润滑油在　强酸性或强碱性条件下会失去功效，从而影响离　用铝盖以及特殊抗腐蚀材料密封形成叶轮。　心泵的运转和使用寿命。而磁悬浮支承是一种无　接触的支承…。这种支承方式可以使叶轮转子无　摩擦、无润滑，有效提高离心泵的运转性能和使　用寿命。本文提出了一种新型的采用磁悬浮支承　的离心泵，并对其进行了压力场、速度场等流体　仿真分析，对今后磁悬浮技术在离心泵中的应用　具有一定的指导意义。　１整体结构图　图１为离心泵结构示意图。采用永磁和电磁构　成一种混合支承系统『，‘３］。通过三个电磁铁控制三　１．泵腔图１离心泵结构示意图　２．密封圈　３．电涡流传感器４．泵盖　５．入口　６．电磁铁和线圈　７．叶轮转子轭　８．外永磁环９．出口ｌ０．叶轮１１．电机定子线圈　ｌ２．电机　转子永磁体１３．叶轮盖　１４．电机转子轭１５．电机定子　收搞日期：２０１２．１１．１４　作者简介：方思源（１９８６．），男，助理工程师。研究方　向：机械制造。　２０　ｌ６．电机定子轭　ｌ７．电机安装槽　船电技术ｌ应用研究　２叶轮和泵腔结构　设计要求某产品配套的离心泵总流量要达到　１０　ｍ３／ｈ，扬程为８　ｍ。取泵的叶轮转子转速为２０００　１，５６ｅ＋０ｔ　ｒｐｍ，流量Ｑ取ｌＯｍ　／ｈ，扬程日取８　ｍ，根据公式（１）　可以计算出比转速：　疗：————　一　疗：——＿Ｓ　３．６５ｎ￣／Ｑ　８０　：　（１）【ｌ　Ｊ　吐５２ｅ＋∞　三Ｈ４　然后采用速度系数法，以相关的离心泵的设　８　７　＋Ｏ２　计理论为基础，根据现有的常规的离心泵设计的　基础公式计算出相应的流速系数和粗略的尺寸参　数，然后通过分析国内外多种离心泵的叶轮型号　图２压力场效果图　与叶型曲线，结合计算出来的尺寸参数对叶轮的　从图２可以看出，液体在离心泵内各个区域的　外形尺寸进行优化与调整，得到最佳性能的叶轮　压力分布相对均匀，液体从叶轮进口进入，到达　结构。叶轮结构的相关参数如表１所示：　叶轮流道，液体通过叶轮的高速旋转，液压从叶　表１叶轮结构参数　轮中心到外径处是逐渐增大的，然后液体被甩入　入口直径４０ｍｍ　入口安装角　２８。　到蜗壳流道，蜗壳内部的截面积逐渐增大，最终　出口直径　２００ｍｍ　出口安装角　４０。　液体以最大液压从出口流道流出。　入口宽度　１６ｍｍ　叶片包角　１２５。　从图３可以知道各区域的速度分布，液体从离　出口宽度８ｍｍ　叶片数　６　心泵的入口处流入，然后通过叶轮入口以较低的　流速均匀流入到叶轮流道，几乎看不到流动分离，　查阅离心泵手册，从泵送液体的效率出发，　液体通过叶轮的高速旋转，流速从叶轮中心到叶　螺旋形蜗室的泵腔相比环形蜗室的泵腔泵送液体　轮外径处逐渐加快，在叶轮外径与蜗室入口交汇　的效率更高，并且液体在泵腔内流动更稳定，因　处达到峰值，从蜗室入口到扩散管再到出口流道，　此本文选用螺旋形蜗室，泵腔结构的相关参数如　流速逐渐降低。　表２所示：　表２泵腔结构参数　基圆直径　２４０ｍｍ　吐出口径　３０　ｍｍ　聪　４＿鹁ｅ・　蜗室入口宽度　２０ｍｍ　舌角　６。　吸入口径　３２ｍｍ　泵舌安放角　２０。　３　ＦＬＵＥＮＴ仿真　３．１网格划分与边界条件设置　离心泵中流动的是酸液。假设酸液为不可压　缩的牛顿流体　］。酸液密度为１．３９５×１０　ｋｇ／ｍ　，　图３速度场效果图　酸液粘度为３．５４７×１０～ｋｇ／（ｍ・ｓ１。湍流模型取标准　３－３不同磁悬浮间隙下扬程、出口流量与转速的　ｋ一￡湍流模型以及标准壁面函数法　】。压强速度耦　关系　合算法为ＳＩＭＰＬＥ算法　Ｊ。取扬程为８　ＩＴＩ，转子的转　取磁悬浮间隙分别为２　ｍｍ、４　ｍｍ、６　ｍｍ，　速２０００　ｒｐｍ，流量１０　ｍＶｈ。采用速度入口边界条件　叶轮转速分别为１５００　ｒｐｍ、１８００　ｒｐｍ、２０００　ｒｐｍ、　ｉｎｌｅｔ与流量出口边界ｆｌｏｗｏｕｔ以及固壁边界条件　２５００　ｒｐｍ，然后对其进行ｆｌｕｅｎｔ仿真分析，得出不　ｗａｌｌ。　同磁悬浮间隙下扬程与转速的关系如图４所示，出　３．２离心泵的压力场与速度场效果图　口流量与转速的关系如图５所示。　２ｌ　船电技术Ｉ应用研究　３　２　一《　一＼蛔鞲　１　０　９　８　７　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．１Ｏ　２０ｌ３．１０　悬浮间隙在４　ｆｉｌｍ条件下，通过控制叶轮转速，使　其处于１８００－２０００　ｒｐｍ范围内，离心泵的运行比较　．　稳定，也最能满足设计要求。　／　—＝＝＝　／　／／／，／：／＝＝＝／　／，，　　４　总结　通过以上仿真分析可知，所设计的叶轮和泵　腔可以满足某产品的性能要求，并且通过改变离　心泵的叶轮转速和磁悬浮间隙，可以不断调整离　心泵的整体性能，直至达到最佳要求，也为今后　磁悬浮技术在离心泵中的应用奠定了理论基础。　图４扬程与转速关系　参考文献：　　＇／　，　／一—［１］　张士勇．磁悬浮技术的应用现状与展望［Ｊ］．工业仪　一国　一　一一一　／／／一　／　国　表与自动化装置，２００３，（３）：６３—６５．　［２】　王莉，熊剑，张昆仑．永磁和电磁构成的混合式悬浮　系统研究［Ｊ］．铁道学报，２００８，２７（３）：５０—５４．　…一一一一一／／　／　／一／——一　［３】　王怀颖．永磁偏置的磁力轴承的研究［Ｊ］．南京师范　大学学报，２００８，（１）：３８—４１．　叶轮转速／ｒｐｍ　［４】　郭鹏程，罗兴镝，刘胜柱．基于三维紊流数值计算的　离心泵叶轮优化设计［Ｊ］．机械工程学报，２００８，（４）：　图５出口流量与转速关系　１８１—１８４．　由图４、图５可以看出，在同一磁悬浮间隙下，　扬程和出口流量随着叶轮转速的增加呈递增趋　势；在同一转速下，扬程和出口流量随着磁悬浮　间隙的增大也是呈递增趋势的。综合考虑出口流　量及其扬程的相关参数，我们可以得出结论：磁　【５］　杨敏官，刘栋，贾卫东，康灿，顾海飞．离心泵叶轮　内部三维湍流流动的分析［Ｊ］．江苏大学学报，２００６．　（６）：５２４—５２７．　［６］　卢池，陈次昌，杨昌明，徐来福．低比转速离心泵内　部流场的数值模拟［Ｊ］．排灌机械，２００５，６：６－９．　（上接第１９页）　—。。。‘√　一一　…　。　｛『。。　。ｌ　、　２８７—２８８．　１　［８］　段善旭，熊健，康勇，陈坚．一种ＵＰＳ的数字化锁　／＼　　ｆ＼　相及旁路检测和切换控制技术［Ｊ］．电工电能新技术　２００４，２３（１）：８—１０．　｛　、、　ｆ　＼　．／　Ｊ　、—　＼／　Ｕ，　ｆ　Ｊ　●　［９］　徐金榜，罗慧，周永鹏等．后备式ＵＰＳ中市电幅值　Ｕ　检测速度提升新方案设计［Ｊ］．电子技术，２００３（３）：　４７—４８．　｛　ｔ　．　，　ｌ　［１０】黎明，姜学东．基于ＰＩＣ单片机的交流电源掉电检　测系统［Ｊ］．电源技术，２００６：７４．７５．　图１０　ＵＰＳ切换实验波形　参考文献：　［７】　陈坚，康勇．电力电子学——电力电子变换和控制　技术［Ｍ】．第三版．北京：高等教育出版社，２０１１：　２２