一种新型离心泵的流体特性分析

方思源，程双胜



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）

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。

离心泵 磁悬浮 流体仿真

0 引言

某产品在强酸性或强碱性等恶劣条件下运行，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[1]。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[2,3]。通过三个电磁铁控制三个方向的自由度，通过永磁环和电磁铁的特殊结构产生向心效应，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，用铝盖以及特殊抗腐蚀材料密封形成叶轮。

图1 离心泵结构示意图

1.泵腔 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10.叶轮 11.电机定子线圈 12.电机转子永磁体13.叶轮盖 14.电机转子轭 15.电机定子 16.电机定子轭 17.电机安装槽

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 rpm，流量取10m³/h, 扬程取8 m，根据公式（1）可以计算出比转速:

然后采用速度系数法，以相关的离心泵的设计理论为基础，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与叶型曲线，结合计算出来的尺寸参数对叶轮的外形尺寸进行优化与调整，得到最佳性能的叶轮结构。叶轮结构的相关参数如表1所示：

表1 叶轮结构参数

查阅离心泵手册，从泵送液体的效率出发，螺旋形蜗室的泵腔相比环形蜗室的泵腔泵送液体的效率更高，并且液体在泵腔内流动更稳定，因此本文选用螺旋形蜗室，泵腔结构的相关参数如表2所示：

表2 泵腔结构参数

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[4]。酸液密度为1.395× 103kg/m3，酸液粘度为3.547 × 10-3kg/(m·s)。湍流模型取标准k-ε湍流模型以及标准壁面函数法[5]。压强速度耦合算法为SIMPLE算法[6]。取扬程为8 m,转子的转速2000 rpm,流量10 m³/h。采用速度入口边界条件inlet与流量出口边界flowout以及固壁边界条件wall。

3.2 离心泵的压力场与速度场效果图

图2 压力场效果图

从图2可以看出，液体在离心泵内各个区域的压力分布相对均匀，液体从叶轮进口进入，到达叶轮流道，液体通过叶轮的高速旋转，液压从叶轮中心到外径处是逐渐增大的，然后液体被甩入到蜗壳流道，蜗壳内部的截面积逐渐增大，最终液体以最大液压从出口流道流出。

从图3可以知道各区域的速度分布，液体从离心泵的入口处流入，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，液体通过叶轮的高速旋转，流速从叶轮中心到叶轮外径处逐渐加快，在叶轮外径与蜗室入口交汇处达到峰值，从蜗室入口到扩散管再到出口流道，流速逐渐降低。

图3 速度场效果图

3.3 不同磁悬浮间隙下扬程、出口流量与转速的关系

取磁悬浮间隙分别为2 mm、4 mm、6 mm，叶轮转速分别为1500 rpm、1800 rpm、2000 rpm、2500 rpm，然后对其进行fluent仿真分析，得出不同磁悬浮间隙下扬程与转速的关系如图4所示，出口流量与转速的关系如图5所示。

图4 扬程与转速关系

图5 出口流量与转速关系

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：磁悬浮间隙在4 mm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。

[1] 张士勇. 磁悬浮技术的应用现状与展望[J]. 工业仪表与自动化装置, 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.

[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.

[4] 郭鹏程, 罗兴锜, 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): 181-184.

[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.

Analysis on Fluid Properties of a New Centrifugal Pump

Fang Siyuan，Cheng Shuangsheng

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2013）10-0020-03

2012-11-14

方思源（1986-），男，助理工程师。研究方向：机械制造。