Оптимизация явления горба низкоскоростного центробежного насоса на основе CFD и ортогонального теста

Jul 26, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12121 (2022) Цитировать эту статью

1265 Доступов

Подробности о метриках

С целью устранения явления горба в низкоскоростном центробежном насосе с использованием метода вычислительной гидродинамики были оптимизированы его конструктивные параметры. На основе модели турбулентности \(k - \varepsilon\) был проведен 3D стационарный анализ поля внутреннего течения. Была создана ортогональная таблица \(L_{9} \left( {3^{4} } \right)\) и четыре структурных параметра, включая диаметр выходного отверстия рабочего колеса, ширину выходного отверстия рабочего колеса, количество лопастей и угол выхода лопаток. , были выбраны в качестве влияющих факторов. Были разработаны девять ортогональных схем испытаний, и результаты были проанализированы методом весового матричного анализа, получив вес выбранных факторов по результатам испытаний. Оптимальная схема была выбрана по массе, и результаты анализа весовой матрицы показали, что ширина выходного отверстия рабочего колеса оказывает доминирующее влияние на напор, мощность на валу и КПД. Кроме того, количество лопаток было основным фактором, влияющим на мощность вала и эффективность. Испытательный стенд для регулирования расхода центробежных насосов был построен для проведения численного моделирования и проверки всех показателей прототипа и оптимизации насоса. В результате испытания внешних характеристик видно, что \(\beta_{2} Z^{0,773}\) оптимизированного насоса составляет 87,889, что на 24,89% ниже, чем у прототипа насоса, который эффективно оптимизирует горб. явление центробежного насоса. Результаты экспериментов показали, что в заниженных условиях работы рабочие характеристики оптимизированного насоса значительно улучшаются. Размер головки был уменьшен на 1,424%, а эффективность увеличена на 7,896%. За счет оптимизации конструктивных параметров насоса были уменьшены его гидравлические потери в струйном следе и эффективно устранено явление горба на кривой напора. Все показатели производительности оптимизированного насоса оказались выше, чем у прототипа, что подтверждает как точность, так и надежность метода ортогонального теста и весового матричного анализа. Наконец, полученные результаты служат отправной точкой для проектирования конструкции высокопроизводительных центробежных насосов.

Центробежный насос с низкой удельной скоростью — это тип центробежного насоса с удельной скоростью от 20 до 80. Он характеризуется низким расходом, высоким напором и низким объемом и широко используется в производстве и быту1. Используя центробежный насос с низкой удельной скоростью, легко создать явление нестабильного горба в условиях низкой скорости потока. Это, в свою очередь, увеличивает вибрацию и шум, сокращая тем самым срок службы насоса и снижая надежность его работы. В настоящее время механизм явления горба центробежных насосов с низкой удельной скоростью не ясен, и явление горба кривой напора не может быть исключено из конструкции. Поэтому, помимо изучения механизма работы центробежного насоса, необходима оптимизация критических конструктивных параметров насоса для улучшения его рабочих характеристик.

В течение длительного времени уменьшение и устранение явления горба на кривой напора центробежного насоса с низкой удельной скоростью становится важным сегментом исследований центробежных насосов. Чжан Дешен и др.2 разработали десять схем проектирования и выполнили численное моделирование и прогнозирование производительности центробежных насосов с низкой удельной скоростью. Авторы получили распределения статического давления, линий тока, скорости и турбулентной кинетической энергии в насосе, а также улучшили характеристики внутреннего потока. Чжан и др.3 использовали модель турбулентности SAS для проведения полноканального численного моделирования насос-турбины, определяя влияние механизма структуры потока насоса на характеристики горба. Чжан Пейфан и др.4 проанализировали гидравлические характеристики центробежных насосов с низкой удельной скоростью, выявив причину явления горба кривой напора, чтобы предложить решение. Ли и др.5 использовали трехмерное уравнение моделирования с постоянным значением для проектирования лопаток насоса. Далее они проанализировали характеристики потока рабочего колеса и нашли характеристики расхода энергии насоса в режиме горбовой зоны. Чен и др.6 экспериментировали, добавив две перегородки во всасывающую часть насоса. Экспериментальные результаты показали, что предложенный метод может эффективно улучшить кривую производительности центробежного насоса IS и устранить горб кривой напора.