低比速离心式消防泵优化研究.pdf
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1、 年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:江苏省自然科学基金(编号:B K )作者简介:刘洁琼(),女,硕士,工程师,主要从事离心泵设计及优化研究.低低比比速速离离心心式式消消防防泵泵优优化化研研究究刘洁琼,吕忠斌,高 超,尤保健,马凌凌,王非凡(上海凯泉泵业(集团)有限公司,上海 )摘要:为研究叶轮几何参数对低比速离心式消防泵轴功率的影响,利用设计软件C F t u r b o,采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的设计方法,对某型低比速离心式消防泵进行了优化,并
2、进行了试验验证.结果表明:堵塞叶轮部分流道时,叶片加厚适合采用从骨线向两边加厚的方式;采用堵塞叶轮部分流道和降低叶轮出口直径相结合的方法,可以在保证低比速离心式消防泵性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载.研究结果可为低比速离心式消防泵的无过载优化提供参考.关键词:消防泵;优化;轴功率;堵塞叶轮流道;叶轮出口直径中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:()O p t i m i z a t i o nR e s e a r c ho fL o wS p e c i f i c S p e e dC e n t r i f u g a lF i r eP u m pL i
3、uJ i e q i o n g,L Z h o n g b i n,G a oC h a o,Y o uB a o j i a n,M aL i n g l i n g,W a n gF e i f a n(S h a n g h a iK a i q u a nP u m p(G r o u p)C o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f i
4、 m p e l l e ro ns h a f tp o w e ro f l o ws p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a lf i r ep u m p,s o f t w a r eC F t u r b ow a su s e dt od e s i g ni m p e l l e r sw h i c hw e r ed e s i g n e db yc l o g g i n gp a r t o f i m p e l l e r p a s s a g e s a n d r e d u c i n gD Al o ws
5、p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a l f i r ep u m pw a ss e l e c t e da s t h er e s e a r c ho b j e c ta n do p t i m i z e d T h er e s u l t sw e r ep r o v e db ye x p e r i m e n t T h er e s u l t ss h o wt h a t f r o mc e n t e r l i n eo f b l a d ep r o f i l e t ob o t hs i d e
6、s i s s u i t a b l e t o t h i c k e n i n gb l a d e B ym e a n so f c l o g g i n gp a r t o f i m p e l l e rp a s s a g e s i nc o m b i n a t i o nw i t hr e d u c i n gD,t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo f l o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a l f i r ep u m pc a nb e e
7、n s u r e d,a n d t h em a x i m u ms h a f t p o w e r c a nb e e f f e c t i v e l y r e d u c e d t oa c h i e v e t h en o no v e r l o a dp e r f o r m a n c e I tc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho f l o ws p e c i f i c s p e e dc e n t r i f
8、u g a l f i r ep u m p K e yw o r d s:f i r ep u m p;o p t i m i z a t i o n;s h a f tp o w e r;c l o g g e d i m p e l l e rp a s s a g e;i m p e l l e ro u t l e td i a m e t e r 引言越来越多的高层建筑对消防安全提出了挑战,也对消防泵的性能提出了更高的要求.高扬程低比速消防泵的需求随之增加.低比速离心式消防泵具有低比速离心泵的轴功率特性,即轴功率随流量的增加而急剧上升,在大流量工况运行时极易产生过载;同时,也需要兼
9、顾消防泵的性能指标,在 倍额定流量工况下扬程不能低于额定扬程的 倍.因此,为降低大流量工况区的功率、防止过载,必须采取措施大幅度降低大流量工况区的扬程,但是必须保证 倍额定流量工况下扬程大于 倍额定扬程.这对低比速离心式消防泵水力设计提出了很高的要求.目前低比速离心泵为了提高性能,多采用加大流量法,增加过流 能力,减小水 力损失.杨秀鑫等采用加大流量法和无过载设计法,降低了低比速车用消防泵的压力脉动振幅;王洋等采用改变叶轮参数和堵塞叶轮流道相结合的方法,实现了低比速离心泵的无过载.此外,施卫东等采取增加短叶片和增大喉部面积等措施,有效降低消防泵内刘洁琼,等:低比速离心式消防泵优化研究绿色创新研
10、究:工程与技术的轴向漩涡.黄志辉等 采用正交试验方法,研究得出叶片数和包角对大流量消防泵的效率影响较大.刘建瑞等 对多级消防泵进行分析,研究表明泵体隔舌是造成损失的主要因素.采用加大流量法,在提高低比速离心泵效率的同时,大流量工况区的扬程也会随之迅速升高,从而导致轴功率明显升高,虽然可以实现无过载,但是电机额定功率需要随之升档,以满足实际需求.这必然会增加整泵的重量和占地面积,不符合消防泵体积小、重量轻、易移动的特点.因此,本文结合前人研究成果,提出一种新的设计方法,对低比速离心式消防泵进行优化,在保证性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载,为低比速离心式消防泵的无过载优化
11、研究提供参考.设计思路 降低机械损失泵内的损失主要有机械损失、容积损失和水力损失.对低比速离心泵来说,机械损失在各类损失中的占比较大.机械损失主要是指圆盘摩擦损失,与叶轮出口直径的次方成正比,且比转速越低,圆盘摩擦损失就越大.因此,要提高低比速离心泵的效率,就必须减小叶轮圆盘摩擦损失,降低叶轮出口直径.叶轮出口直径的降低,必然会带来扬程的降低.所以,降低叶轮出口直径的同时,必须结合叶轮其他参数,来满足扬程的设计要求.堵塞叶轮流道根据无过载设计理论,任一台离心泵的由下式预估:pm a xmKu Dbht a n()式()中:为液体密度,k g/m;m为泵机械效率,单位;K为修正系数;u为叶片出口
12、圆周速度,单位m/s;D为叶轮外径,单位mm;b为叶片出口宽度,单位mm;为叶片出口排挤系数;h为斯托道拉滑移系数;为叶片出口安放角,单位.由式()可得:当增大时,pm a x随之增大,所以为获得较小的,应在合理范围内尽可能取较小的.的减小可以通过从叶片进口到出口均匀加厚以堵塞叶轮部分流道来实现.越小时,叶片越厚、排挤越大,扬程曲线越陡.堵塞叶轮流道的实质是使叶轮过流面积减小,而叶轮过流面积的减小,可以减小流量工况下叶轮内流动的水力损失,从而提高小流量工况区的扬程.如果叶轮流道的堵塞量选择合适,额定扬程也能随之提高.因此,本文以某型低比速离心式消防泵为研究对象,提出一种堵塞叶轮部分流道和降低叶
13、轮出口直径相结合的设计方法,并选择合适的堵塞量,希望在保证性能的前提下,有效降低最大轴功率,在全流量范围内实现无过载.设计方案 方案设计低比速离心式消防泵主要设计参数为:额定流量Q m/h,额定扬程HQ m,转速n r/m i n,功率P kW.设计要求为:Q工况点扬程H Q HQ,最大轴功率值Pm a x kW.按照无过载理论设计,得出号叶轮的结构参数:Z,D mm,b mm,叶轮流道无堵塞.其他叶轮在号叶轮参数的基础上修改得出,各叶轮参数对比如表所示.表各方案叶轮参数对比参数号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮号叶轮D/mm Z堵塞量/加厚方式/向两边加厚从工作面向背面加厚向两边加厚向两边加厚向
14、两边加厚表中,叶轮部分流道堵塞量定义为:(堵塞前两叶片间流道有效出口面积堵塞后两叶片间流道有效出口面积)/堵塞前两叶片间流道有效出口面积.号叶轮在号叶轮的基础上堵塞了部分流道,堵塞量是号叶轮出口面积的,叶片从骨线向两边加厚;号叶轮的堵塞量与号叶轮相同,叶片从工作面向背面加厚;号叶轮和号叶轮的叶片都是从骨线向两边加厚,堵塞量分别是号叶轮出口面积的 和;号叶轮在号叶轮的基础上减小了叶轮出口直径.通过对个叶轮的计算比较,分析各参数对低比速离心式消防泵性能的影响.计算模型采用C F t u r b o软件对各方案叶片造型,如图所示.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e
15、nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期图模型建模各叶轮水体采用适应性强的四面体非结构化网格进行划分,网格质量均在 以上.当网格数在 万及以上时,额定效率偏差在 以内.综合考虑计算精度和成本,各叶轮水体采用相同的网格尺度,网格数均在 万左右.计算选 取带有自动 壁面处理 功能的湍流 模型,对流项的离散采用高阶格式.进口边界条件采用压力进口,出口边界条件采用质量流量出口.计算收敛精度设置为.计算结果分析在 Q流量范围内选取个工况点,利用C F X软件对各叶轮方案进行计算分析,各方案预测性能曲线对比如图所示.图性能曲线对比从性能曲线对比图中可以看出:()
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