氟塑料离心泵性能预测及实验对比分析

齐凤莲，于雯秋，赵 维

（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168）

氟塑料离心泵性能预测及实验对比分析

齐凤莲，于雯秋，赵 维

（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168）

0 引言

CFD技术是用来研究离心泵内部的流场分布的技术。然而，离心泵中的流体介质是一种非定常三维湍流流动，其流动形式特别复杂。因此，到目前为止还不能只通过数字模拟的方法来确定泵的性能，必须结合泵的实验来确定泵的特性曲线及流体在泵内部的流动情况。因此，在利用CFD技术进行泵性能预测的同时，进行泵相关性能试验，对于泵的结构设计、理论研究、实际生产和现实应用具有重要的意义，也是对泵技术提高的重要手段。

泵的4大性能曲线可以从整体上反映泵的性能，使用者能够通过性能曲线来选择符合自己需求的泵、确定泵的安装高度及掌握泵的运行情况［1］。在此，利用沈阳某企业的泵性能测试实验台，对氟塑料离心泵进行性能检测的实验研究，并在氟塑料离心泵的数值模拟的基础上，通过对改进的扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵整机、圆柱直叶片氟塑料离心泵整机分别进行内流场数值模拟，将得到的模拟预测数据进行处理，并完成预测特性曲线的绘制。最后，将实验特性曲线和2种不同叶片形式离心泵模拟预测特性曲线进行对比分析，得出结论。

1 外特性参数的计算

1.1 扬程的计算

将氟塑料离心泵进口真空表和出口端压力表处分别编号为1、2截面，叶轮转数一定时，伯努利方程为：

由于进口和出口两截面间的管长很短，进出口水力损失项H21可忽略，流速的平方差也很小可忽

略，则有：

H21为叶轮进口到出口之间的水力损失；ρ为流体密度；g为重力加速度；p1，p2分别为氟塑料离心泵进出口压强；v1，v2分别为氟塑料离心泵进出口流速；Z1，Z2分别为真空表、压力表的安装高度。

由式（2）知，根据真空表和压力表上的读数及两表的安装高度差（吸程），就可计算扬程。

然而在FLUENT中某一点总压p0定义为：

利用FLUENT中面积分的功能，求解出泵进口和出口的总压。利用伯努利方程，预测出泵的扬程为：

pout为出口总压；pin为进口总压；▽z为进口到出口的距离（吸程）。

通过以上公式来进行泵的扬程计算和预测［2-3］。

1.2 轴功率的计算

轴功率是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵内获得的有效能量，也就是由电机传到泵轴上的有效功率。对于电机的功率来说，需要测试负载电压及负载电流，那么轴功率为：

U为负载电压，本文电压为三项交流电压380 V；cosφ为功率因数，本文功率因数为0.8；I为负载电流。

FLUENT不能直接报告离心泵的功率，但是离心泵叶轮绕旋转轴Z轴的转矩M，可以使用FLUENT在后处理环节提供的力矩报告功能得出。因此，离心泵的轴功率为：

M为叶轮的前后盖板、叶片的工作面、背面绕叶轮中心Z轴的力矩之和；ω为离心泵旋转时的转动角速度。

1.3 效率的计算

泵的效率为有效功率与轴功率之比［4］，计算公式为：

ρ为液体密度，本文的介质为清水，其密度为998.2 kg／m3；Pe为离心泵有效功率。

具体到实际情况下，实验时，P为电机的轴功率，需要测量额定电压及额定电流；数值模拟时需要知道叶轮在旋转轴Z轴的力矩。

2 氟塑料离心泵性能试验

2.1 实验设备

氟塑料离心泵性能测试的有如下几种主要设备。具体包括：

a.氟塑料离心泵1台。圆柱直叶片叶轮氟塑料离心泵的型号为IHF150-125-250，该泵的初始设计参数为流量Q＝200 m3／h、扬程H＝20 m、转速r＝1 450 r／min。

b.多功能控制台。水泵测试多功能控制台，在水泵测试过程中，负责采集信号，实时记录流量、转速、负载电流、负载电压、进出口压力和输送介质温度等参数数据；同时控制电动执行阀开度的大小。

c.多功能液体输送机组。该机组为实验过程中液体输送设备，在氟塑料离心泵测试开始前，使清水注满整个测试装置的进水管。

d.辅助设备。包括22 k W电机1台、智能单回路测控仪、WZC热电阻、电动执行阀、管路、智能电磁流量计、压力变送器和配电柜等。

2.2 实验步骤

离心泵在恒定转速下扬程H、轴功率P、效率η以及汽蚀余量（NPSH）r随流量Q而变的4条曲线，称为水泵的基本性能曲线［5］。由于汽蚀余量的大小与装置参数及流体性质有关，与泵本身无关，因此实验只要求测定并绘制实验泵的前3条曲线，即扬程H、功率P、效率η与流量Q之间的关系曲线。在测试过程中，测量范围为0到额定流量的120%，测点均匀分布，且大于额定流量时测点可适当加密。具体测试步骤如下：

a.熟悉设备、装置和仪表的使用，安装模型泵，关闭出水闸阀。

b.打开多功能液体输送机组抽气管上的闸阀，启动机组注水离心泵，在进水管产生负压，使清水注满整个测试装置的进水管。

c.启动模型泵，调节模型泵转速为n＝1 450 r／min，同时关闭水泵出水管上的电动执行阀，打开压力表上的开关。

c.从出水管闸阀从全开到关闭，分别测量12个左右工况点的参数。每个工况读取真空表、压力表、流量计、电流表、电压表及转速仪上的读数，记入实验报表中。

d.完成上述测量后，若测量数据正常，则关闭真空表和压力表接管上的开关和出水管上的闸阀，切断电源停机。

2.3 实验数据处理

实验过程中可获得的流量、压力、电流及电压等数据均为测量值，扬程、功率、效率分别由式（2）、式（5）、式（7）计算所得值，最后经过试验得到该泵的12个工况点相应的数据如表1所示。根据该表的数据绘制了相应的流量-扬程、流量-功率及流量-效率性能曲线图。

表1 氟塑料离心泵实验数据表

3 数值模拟数据处理

在转速n＝1450r／min下，分别在40m3／h、80 m3／h、120m3／h、160m3／h、200m3／h、210m3／h、220m3／h、230m3／h、240m3／h等清水工况下，对氟塑料离心泵直叶片叶轮整机、改进后扭曲叶片叶轮整机进行内部流场数值模拟。数值模拟的结果可获得各个工况下的流体物性参数如表2所示。

表2 离心泵9个不同工况及流体物性参数

根据FLUENT的模拟结果，可得进口压力、出口压力及Z轴旋转力矩，分别由式（4）、式（6）、式（7）计算出该泵在不同流量下对应的扬程、功率及效率。表3和表4分别为氟塑料离心泵直叶片叶轮整机、改进后扭曲叶片叶轮整机数值模拟及计算的结果数据表。该数据为后续的数值模拟和实验数据的对比分析提供数据基础。

表3 圆柱直叶片叶轮氟塑料离心泵模拟及计算数据

表4 扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵模拟及计算数据

4 预测特性曲线与试验曲线的对比

根据以上得到的氟塑料离心泵数值模拟性能参数计算数据，绘制了IHF150-125-250氟塑料轴功率-流量和效率-流量3条特性曲线［6］，并将这3条曲线逐个与离心泵的试验性能曲线进行比较分析。

离心泵的扬程-流量、

4.1 扬程-流量特性曲线对比

不同叶片形状氟塑料离心泵数字模拟预测的扬程-流量曲线与实验曲线的对比如图1所示。首先，由图中的扬程曲线看出，扬程随流量的增加而减小，特别是额定工况200 m3／h后，扬程的下降程度明显增加，以实验值为代表，在0～200 m3／h扬程下降了3.3 m，而200～240 m3／h扬程下降了5.2 m，这是由于流量的增加水力损失也相应增加，导致扬程的下降。其次，在额定流量200 m3／h时，实验和预测的扬程值分别为18.1 m、18.2 m，当小于额定流量和大于额定流量时误差均小于2%，说明氟塑料离心泵的数值模拟对泵性能起到很好的预测作用。最后，通过对2种不同形状的叶片离心泵的数值模拟扬程值的对比显示，在额定流量200 m3／h时，扬程预测值分别为20 m、18.6 m，在小于额定流量和大于额定流量时，扭曲叶片氟塑料离心泵扬程均大于圆柱直叶片氟塑料离心泵，且扬程提高1～2 m。由此可以认为在同等情况下，扭曲叶片的氟塑料离心泵的性能比圆柱直叶轮氟塑料离心泵的性能要好。

图1 不同叶片形状离心泵预测扬程-流量特性曲线与试验值的对比

4.2 功率-流量特性曲线对比

不同叶片形式的氟塑料离心泵数值模拟计算得到的轴功率预测特性曲线，与试验特性曲线的对比如图2所示。首先，通过轴功率特性曲线图的趋势变化可以看出，轴功率与流量成正比例关系，如离心泵在大流量工况下，泄漏随之增加，也就是能量损失比较大，此时就需要泵输出大的功率。其次，对与同一类型圆柱直叶片氟塑料离心泵功率的预测值与实验值对比，发现在额定工况下实验值与预测值分别为17.84 k W、13.9 k W，在小于额定流量和大与额定流量实验值均明显大于预测值，且预测值与实验值的差值幅度在2～4 k W之间，均在允许的范围以内，对氟塑料离心泵的性能起到很好的预测作用。最后，对2种不同叶片形式氟塑料离心泵功率的预测值对比，发现扭曲叶轮氟塑料离心泵功率值低于圆柱直叶轮氟塑料离心泵功率值。在额定流量工况下功率分别为13.5 k W、13.9 k W，两者的功率值较为接近，在小流量和大流量工况下差值较大，但是两者功率差值幅度在1～2 k W之间，也就是说在同样的流量、扬程下扭曲叶轮氟塑料离心泵所需要的功率更小，因此扭曲叶轮的氟塑料离心泵的性能优于圆柱直叶轮氟塑料离心泵的性能。

图2 不同叶片形状离心泵计算功率-流量特性曲线与试验值的对比

4.3 效率-流量特性曲线对比

不同叶片形式的氟塑料离心泵数值模拟计算得到的效率-流量的预测特性曲线，与试验特性曲线的对比如图3所示。通过对同一类型圆柱直叶轮氟塑料离心泵的效率预测值与实验值的对比，发现在小流量工况下，泵的效率预测值比试验值要整体偏高些，如在120 m3／h工况下效率预测值与实验值分别为66%、62.5%，其原因在于忽视了多种损失的理想模型的影响。在额定工况附近，泵的效率预测值和实验值相差无几，都在73%左右。超过额定工况流量后，实验值均比预测值偏高。然而不管怎样，误差均在允许范围之内，对泵的性能起到了很好的预测作用。将2种不同叶片形式的氟塑料离心泵效率特性曲线进行对比，发现扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵的效率预测值远远大于圆柱直叶轮氟塑料离心泵效率预测值，如在额定流量200 m3／h下，扭曲叶片氟塑料离心泵的效率预测值为78.4%，而圆柱直叶轮氟塑料离心泵的效率预测值为73.8%，在小于和大于额定流量工况下差值均在5%以上。也就是说，在同样的条件下扭曲叶轮氟塑料离心泵效率值更大，更加有效地将电机的功率转化为有用功，因此，扭曲叶轮的氟塑料离心泵的性能好于圆柱直叶轮氟塑料离心泵的性能。

图3 不同叶片形状离心泵计算效率-流量特性曲线与试验值的对比

综合以上扬程-流量、轴功率-流量及效率-流量的特性曲线，可以发现不同形式叶片叶轮的氟塑料离心泵的预测特性曲线与试验特性曲线，随流量的变化趋势基本一致，尤其是圆柱直叶片叶轮离心泵与试验值的偏差均小于2%。因此，采用数值模拟的方式，可以对氟塑料离心泵的性能起到很好的预测作用。同时，不同叶片形状的氟塑料离心泵的性能预测值的对比，很好地验证了优化后的扭曲叶片叶轮氟塑料离心泵的性能比圆柱直叶轮氟塑料离心泵性能好，这也验证了本文对氟塑料离心泵性能改进方法的可行性。

5 结束语

针对沈阳某泵企业提供的IHF150-125-250氟塑料离心泵，在12个工况点进行了测试实验。采集相应的实验数据，同在清水介质下，对2种不同叶片形状叶轮的氟塑料离心泵在9个工况下进行内流场数值模拟，并利用获得的数据进行对比分析，得出经下结论：

a.通过同一类模型的圆柱直叶轮氟塑料离心泵的预测值与实验值的对比分析，验证了数值模拟的方法可以较好地对泵性能起到预测作用。

b.通过对2种不同叶片形状氟塑料离心泵预测值的对比分析，可知改进后的扭曲叶片叶轮的氟塑料离心泵的性能优于现有的直叶片叶轮氟塑料离心泵。

c.通过以上的对比分析，证明数值模拟的方法可以应用在泵新产品的研发中，同时，本文对直叶片叶轮氟塑料离心泵改进后的泵产品，可以在实际的应用中进行试制。

［1］ 关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995.

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Comparative Analysis on Performance Prediction and Experiment of Fluorine Plastic Centrifugal Pump

QI Fenglian，YU Wenqiu，ZHAO Wei
（College of Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

以氟塑料离心泵IHF150-125-250为研究对象，运用流场计算软件FLUENT，对2种不同叶片形式叶轮氟塑料离心泵分别进行内部流场的数值模拟，同时在多功能水泵试验台上进行实验测试，将得到的外特性模拟预测数据与实验数据分别对比分析。结果表明，数值模拟的方法可以较好地对泵性能起到预测作用，改进后的扭曲叶片叶轮的氟塑料离心泵的性能优于现有的直叶片叶轮氟塑料离心泵。

氟塑料离心泵；数值模拟；性能预测

This paper takes IHF150-125-250 fluorine plastic centrifugal pump as the research subject，using the flow field calculation software FLUENT to perform numerical simulation of internal flow field on two different forms of blade impeller centrifugal pumps.At the same time tests are run in a multi-functional pump test bench to obtain predictive data from the external characteristics simulation，which is compared with the experiment data.Results show that numerical simulation method better predicts the pump performance，and that the performance of the improved fluorine plastic twisted blade impeller centrifugal pump performs better than the existing straight blade impeller centrifugal pump.

fluorine plastic centrifugal pumps；numerical simulation；performance prediction

TH311；O35

A

1001-2257（2015）09-0016-05

齐凤莲（1977－），女，辽宁沈阳人，博士研究生，副教授，主要从事数字化设计与制造研究工作。

2015-04-01