关键词:
轴流泵
机电一体化
水动力特性
间隙泄漏流
摩擦损耗功率
摘要:
机电一体化轴流泵采用湿定子潜水电机技术,将泵叶轮外缘与电机整合为一体,不需要通过传动轴驱动,具有结构紧凑、构造简单等优点,因此在低扬程泵站中得到广泛应用。为研究该泵水动力特性,本文以一额定转速980r/min、流量2092m3/h的机电一体化轴流泵为研究对象,基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX仿真软件对该泵不同流量工况(1674~2510m3/h)进行全流场瞬态数值模拟并进行试验验证。首先,描述了机电一体化轴流泵多工况下内部非定常流动的演化规律,阐明了叶轮进出口径向速度及叶轮效率的变化趋势,建立了转子摩擦损耗功率和泄漏量随流量变化的定量关系;其次,改变了泵定转子径向间隙宽度d的大小,对该泵在不同间隙宽度下的内外特性进行计算分析,揭示了该泵在不同间隙宽度下内外特性的变化机理;最后,通过理论分析,进一步构建了转子摩擦损耗功率与泵装置参数的数学模型。本研究可为机电一体化轴流泵的设计及性能提升提供参考。
研究内容及结论如下:
1、不同流量工况对机电一体化轴流泵流动特性影响研究
基于RNG k-ε湍流模型,对该泵不同流量工况下进行了三维非定常数值计算。研究结果表明:采用数值模拟及试验验证方法,在额定工况下效率、扬程模拟计算值分别为73.1%、6.34m,试验结果值为72.4%、6.1m,最大误差小于5%,均在误差范围内。机电一体化轴流泵电机转子摩擦损耗功率随流量的增加而增大,泵间隙泄漏量随流量的增加而减小。流体流经该泵定转子径向间隙并泄漏回流至叶轮入口,形成射流,使得叶轮入口轮缘位置存在明显的径向流动。该流动导致叶轮流道内径向系数r*为0.9~1.0的近轮缘位置出现高湍动能、强涡量区域,引起该区域水力损失增大,水力效率降低,且流量越小,影响越显著。泄漏回流速度与回流进出口压力差构成了相互制约、相互促进的关系。在这种此消彼长的关系下,形成了该泵定转子间隙泄漏流动特性。因此,为了提升该泵水力性能,可以尽可能降低转子摩擦损耗和间隙泄漏流流动对叶轮进口流场的破坏。
2、不同定转子径向间隙宽度d对泵性能的影响研究
以该泵定转子径向间隙宽度d为切入点,在不改变叶轮外径的前提下,通过改变定子内径,共设计四种不同间隙宽度方案,揭示了该泵在不同间隙宽度下内外特性的变化规律。结果表明:随着径向间隙的增大,流量-扬程、流量-效率曲线的高效区没有发现明显的偏移。额定工况下,转子摩擦损耗功率随着间隙宽度的减小而增大,且间隙越小,占比越大,在最小间隙d=0.3mm,转子摩擦损耗功率占泵总功率的22.3%。泄漏量随间隙宽度的增加而增加,在最小间隙d=0.3mm及最大间隙d=1.2mm中,泵泄漏量分别为0.5kg/s、4.6kg/s。叶轮进、出口在各径向系数下的压力脉动时域、频域变化趋势基本一致,呈现的波峰波谷
数与叶片数一致。因此,在设计和运行机电一体化轴流泵时,需考虑不同径向间隙宽度对泵性能的影响及泵结构匹配问题,以平衡该泵性能、效率和转子摩擦损耗的要求。综合研究发现,定转子径向间隙d的取值范围在0.6~0.9mm较合适。
3、典型参数对机电一体化轴流泵转子摩擦损耗功率影响研究
通过理论分析,进一步构建了转子摩擦损耗功率与泵装置参数的数学模型。结果表明,影响转子摩擦损耗功率的四个典型参数为:叶轮外半径R1,定子内径D2、转速n和转子长度L。可以通过降低转速n、增大转子的长度L和减小转子内外径来降低转子摩擦损耗功率,以提高该泵的水力性能。在不改变泵的结构尺寸前提下发现,典型参数之一(转速)对泵转子摩擦损耗功率的影响有较大差异。该泵转速与转子摩擦损耗功率呈抛物线单调递增关系,从额定转速980r/min到小转速600r/min的变化范围为25.44%。而对于流道内部流线,不同转速下流线的分布基本相似,叶轮进口速度环量值较小、出口的环量数值较大。速度环量从轮毂到轮缘速度环量沿径向逐渐增大,在径向系数r*为0.85~1.0范围内出现显著变化,该泵转速的取值范围在900r/min~1000r/min较合适。