黏度对低比转速离心泵性能的影响

Hydraulic ,2019,47( 8) ： 125-129.黏度对低比转速离心泵性能的影响刘建华（新乡学院机电工程学院，河南新乡453003）摘要：利用CFD对整个泵输送水和黏油进行了流体动力学模拟，重点研究了液体黏度对泵水力性能的影响以及黏度引 起的口环中的量纲一化角速度和泄漏率，并将CFD结果与实验数据进行了对比，结果表明：输送黏性流体时低比速离心泵 扬程、流量和效率严重下降；在小流量工况下，黏度对泵性能的影响程度小于设计工况下和大流量工况下；但是随着雷诺 数减少，通过口环和平衡孔的泄漏量明显降低，容积效率显著增加，由于盖板处的量纲一化旋转角速度明显减少，随着黏 度增加圆盘摩擦损失显著增加。研究结果对输送黏性液体的离心泵设计具有指导意义。关键词：低比速；离心泵；黏度；性能中图分类号：TH 137The Effect of Viscosity on Performance of a Low Specific Speed Centrifugal PumpLIU Jianhua(Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang University, Xinxiang Henan 453003 , China)Abstract: By considering water and viscous oils respectively as transported fluids, CFD software was used to simulate the fluid

dynamics of the whole pump. The effecl of liquid viscosity on the pump performance was particularly addressed, and dimensionless angular velocity and leakage rate were investigated in sidewall gap. The results were compared with the experimental data. The results

show that the pump lift, flow rate and efficiency are seriously reduced when the viscous fluid is transported. Under the condition of small flow rate, the influence of viscosity on pump performance is less than that under the design condition and under large flow condi­tion. Increasing viscosity improves the volumetric efficiency by reducing internal leakage through wear rings and balance holes. Due to the obvious decrease of the dimensionless rotational angular velocity of the cover plate, the friction loss of the disc increases significant­

ly with the increase of viscosity. The results lead to some recommendations for designing centrifugal pumps which may be used in trans­

ferring viscous fluids.Keywords: Low specific speed ； Centrifugal pump ； Viscosity ； Performance0前言流量减少，泵效率降低，对于黏度在圆盘摩擦损失起

离心泵通常用来输送黏度低于520 -760 mm'/s

着决定性的作用的低比转速泵中这种现象更为明显。的液体。使用特殊叶轮可以输送黏度低于1 000 mm'/s 本文作者以叶轮和蜗壳内部CFD计算结果和泵性

的液体⑴。当泵输送黏性流体时，泵的工作参数往往 能实验数据为基础，将泵内部流场和外特性结合在一 与制造商提供的离心泵的性能指标不符，因为制造商

起进行研究。首先，给出模型泵的几何参数特点，然 提供的离心泵的性能曲线是根据清水（温度20弋、

后探讨被输送流体黏度变化对泵效率的影响，特别是 密度1.0 g/cm\\黏度1.0 mPa • s）条件测试得到 对圆盘摩擦损失、水力损失和容积效率的影响，旨在

的，泵输送黏性流体时的性能需要根据流体黏度修正 对输送黏性流体的低比速离心泵的水力设计有所帮助。 图表进行修正得到3。1理论分析对离心泵而言，一般流道摩擦损失、扩散损失和 泵的功率可以被定义为圆盘摩擦损失与被输送流体黏度有关，而冲击损失、 pgQH容积损失和机械损失与被输送流体黏度关系不大。在

（1）泵输送黏性流体时，内摩擦功率增加，而泵的扬程和 式中：p为流体密度；Q为泵流量；“、为泵容积效

收稿日期：2018-01-17基金项目：河南省科技攻关项目（ 172102210447）作者简介：刘建华（1969—）,男，硕士，副教授，主要从事流体机械的研究与开发。E-mail： ljh9991jh@163.com• 126 •机床与液压第47卷率；弘为水力效率；P”为圆盘摩擦损失；P”为机械 损失。1. 1圆盘摩擦损失壁面剪应力发生在旋转圆盘表面，计算模型如图1所示，大小可按下式⑶计算:

pcfr2&)2(2)叶轮表面的转矩可描述为

dM = rxdF = rXTdA = Trpc(r4a)2dr

(3)则圆盘摩擦损失为TTpC(R5a)3 f r5(4)式中：c『为摩擦因数；r为圆盘半径；®为圆盘的角 速度；R为叶轮外径。1. 2水力损失离心泵的理论扬程为泵扬程和水力损失的总和。 泵输送清水(下标W)和黏性流体(下标V)时理论

扬程“山基本相同。水力损失由摩擦损失Z”和搅拌损

失Zm组成⑷:+Zr,w+2m,.=W+Zr,v+Zm,v

(5)摩擦损失随黏度变化，因此，泵输送黏性流体时

水头修正系数可通过下式⑸计算：式中：a为摩擦损失的分数，和几何特征有关，可以

用下式来计算：« = Z-^r » H. = 0.058+0.09(n -30^'I -30— 丿

(7)所研究的泵的主要参数见表1。表1泵的主要结构参数项目结果项目结果叶轮外径/mm209叶轮出口宽度b2/mm4.2排出口直径/mm40口环间隙/mm0.4叶片数6平衡孔直径/mm7平衡孔数

6吸入口直径/ mm50压水室基圆直径/mm210叶片出口安放角爲/(°)202泵的结构所研究泵的剖视图如图2所示，该泵采用6枚叶

片的闭式叶轮，采用平衡孔平衡轴向力，设计工况下

泵的性能参数为：流量Q = 9m」/h,扬程H= 10. 1 m,

效率 0 = 46%,转速 n = 1 450 r/min,功率 P=0. 55

kW,叶轮雷诺数Re= 1.5x10°,其他参数见表1。图2泵的剖视图3数值模拟根据表1中泵的结构参数，利用三维软件Pro/E

对泵的计算域建立三维模型(如图3所示)，计算域

包括叶轮、蜗壳、进口段和出口段，建模时适当延长

进口段和出口段，以保证湍流发展的稳定性，提高模

拟计算的准确性。排出管叶轮后盖板前盖板吸入管前轴承后轴承图3泵流体域的CFD模型在ANSYS CFX的前处理软件1CEM中对计算域模

型进行网格划分，设定网格尺寸为3 mm161,对近壁区

采用结构网格并进行局部加密处理，对远离壁面区域

采用六棱锥和六面体楔形的非结构化网格，旋转和静

止部分之间的网格以耦合面连接，为减小网格数量对 计算的影响，进行了网格无关性检查，最终所选计算

域内的网格单元数为2 176 508个，如图4所示：刀。图4流动分析采用的网格结构采用商业CFD数值模拟软件CFX对泵计算域进

第8期刘建华：黏度对低比转速离心泵性能的影响• 127 •行模拟计算。研究认为流体是稳态不可压缩流，并 处于等温状态，采用最适宜离心泵的K-3 SST湍流

模型和绝热壁边界条件。进口边界条件采用恒定的质 量流量、流向和恒压条件，出口边界条件采用自由流

边界条件［8-\".s4实验装置实验装置为闭式装置，测试装置示意图如图5所

示，液体是从净容积2. 1 m‘的水箱1吸入、经过闸阀 2和吸水管（1.5m长和40 mm内径）进入实验泵4,

然后通过排出管返回水箱，排出管长度4 m、内径50 mm。箱体内设置一个横挡板以减少入口旋流，确保 流体平滑地流入吸入管。泵采用额定功率3 kW和转

速1 450 r/min的交流电机5驱动。水泵扬程通过精

度0. 25%的压力传感器3和7计算，流量利用安装在

排出管上的截止阀8进行调节，流量利用精度为 0.5%的电磁流量计9测量。为计算功率，电动机的 转矩和转速通过精度为0. 3%的转矩仪6和精度为

0. 1 %的转速计测量。图5离心泵实验装置示意图5结果与讨论输送清水条件下CFD结果和实验数据之间的比

较如图6所示，包括量纲一化水头申= gH/亦用、效 率与量纲一化流量® = Q/3bR ,显然CFD和实验数 据之间有很好的一致性，即使在部分负荷和过载区域

亦是如此。图6输送水时泵实验性能和CFD计算性能比较泵输送\"=90 mm7s（/?e= 17X103 ）油时的性能曲 线如图7所示。分析曲线是按照公式（6）中给出的 人所计算得到的仏，明显理论分析结果和实验结果

有一定的偏差，但变化趋势相同，所以可以用于评估

变化的趋势。0.550.500.45注 0.40昵 0.351— 水於 0.302—实

验值0.253— 分析值0.204— CFD计算值0.155— 文献⑶值0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45流量0图7输送油\" = 90mm'/s时实验值、CFD值、分析值和

文献值0-9曲线的比较参考文献［5］给出了计算流量和扬程、运动

黏度、转速时考虑黏度影响的几和人修正图表，

同时考虑了不同比转速胆的修正。这种方法是基于 黏度4 000 mm7s比转速6. 5~45下的测试结果而给

出的。由于这种方法不考虑实际流量的比值的影

响，在最优工况（单位流量q * ）小流量情况下计 算值和实验结果有较大的差异，但是接近设计工况

计算结果较为精确。因此，这种方法可以预测输送

油的黏性损失。根据6个运行工况下模拟值绘制了 CFD曲线，

从曲线看CFD结果和实验数据较为吻合，尤其在小 流量工况下；最大误差发生过载条件下，0 = 0.42时

误差小于10%o如图7所示，选择输送黏性液体的泵时部分负载 比满负载更合适。可以选择一个较大流量的泵，所以

运行工况点定位在最优工况点的左边，这样黏度对泵

性能的影响将会减少。表2给出了3个绝对流量常数

下=9/0bem）运行工况点位置对扬程增量（A«A =

（亿-认）/亿）影响的实验数据。表2对3种不同黏性流体，运行工况点对泵扬程降低

的影响盯(fl)M3)(c)0.50.070.120.140.650.110.170.200.80.120.200.261.10.200.320.38注：a=35mm2/s(/?e = 43xl03)；6 = 64mm2/s ( Re = 24 x1（P）； c = 90 mm7s（Z?e=17xlO3）D图8为输送水和黏性流体效率和功率曲线，黏性 流体的黏度 p = 90 mm2/s （7?e= 17xl03）,密度p= 880

kg/m3o按照实验结果，设计工况下黏性流体因黏度

影响流量，修正系数人=0.8和效率接近于人= 0.58 附近，而图7所示，输送黏性流体时扬程系数和输送

水时相比减少到大约九=0.82。由于扬程和流量减 少，油的密度为水密度的88%,输送水和输送油时

功率互相接近。设计工况下CFD模拟结果与实验值 一致，远离设计工况时模拟结果的误差增加。・128・机床与液压第47卷•输水功率 1—CFD计算的输油功率 •输油功率 2—CFD计算的输水功率 •输水效率 3—CFD计算的输水效率 •输油效率 4—CFD计算的输油效率0.5010.400.8^0-30'°-6»■^0.20'0.4象0.10*0.20.00-0.15

0.25

流量0.35。 0.45

0.550图8输送水和黏性流体效率和功率曲线图9所示为通过口环前后泄漏量的流线，流向叶 轮入口的内部泄漏影响叶轮吸入口的主流。图10所示 为前口环泄漏流的速度矢量。叶轮吸入口处的泄漏流

形成涡区，这些涡旋存在影响液流平稳的吸入叶轮,

当泵用来输送水等低黏性流体时，存在较大的旋涡区。图9泵内的流线形状（a）黏性流体

（b）清水图10泄漏量对叶轮吸入口区域的影响通过前口环的量纲一化内部泄漏率（化）与黏

度、雷诺数的关系如图11所示。可知黏度从1 mm7s 增加到90mm7s,泄漏率降低了 80%以上。另外，通

过限制口环间隙限制内部泄漏以提高容积效率。Re/103图11前口环的泄漏量与黏度、雷诺数的关系当泵用来输送黏性流体，不推荐利用背叶片或副

叶轮来平衡轴向力，背叶片或副叶轮存在会增加圆盘 摩擦损失。最好的方法是使用平衡孔并配合口环来平

衡轴向力，口环处应采用较大的间隙，以减少装配时 间隙的维修调整，并延长口环的使用寿命。加大间隙

可以减少由于轴弯曲或安装不同心而造成的口环咬合 现象，从而提高设备运行的可靠性。API 610标准已

经列出了应用汽油、石油和天然气行业的离心泵口环

处0. 15 mm的最小泵径向间隙。图11表明泄漏率与 口环处最小间隙间的关系。虽然这个修改有效限制了

泄漏量，但对于输送水或其他低黏度液体时泵容积效 率还是难以达到90%。为弥补大间隙对容积效率差 距的负面影响，采用加大口环处间隙长度或口环处间

隙采用迷宫形状或者减小平衡孔尺寸。采用减小平衡 孔尺寸方法时，应注意使平衡孔数量和直径足以平衡 轴向推力。叶轮盖板与泵体间隙处的流体的圆周速度通常用

量纲一化角速度描述，其定义为流体的角速度与叶轮

的角速度之比。图12给出了沿着叶轮半径方向叶轮 盖板与泵体间隙处的量纲一化角速度变化规律，可

知，输送水和输送油时规律一致。110.91— 文献【20］的清水实验0.8

2— Re=1.5X 10°\"二二的清水'3— Re=2.4X104的油N 0.74一 2?e=1.7X 10°的油0.60.5

0.40.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1r-图12雷诺数对量纲一化流体旋转角速度的影响图13比较了输送黏性流体时设计工况下雷诺数

对泵效率的影响，包括对容积效率积极的影响和对圆

盘摩擦效率和水力效率的负面影响。根据CFD的结

果，在泵输送清水时（雷诺数Re =1.5x10°工况下），

容积效率约为75%,水力效率77%,圆盘摩擦效率接

近84%,泵效率约为47%。当泵输送黏度为90 mm7s 的油时，雷诺数Ke=17xlO3的工况下效率变化非常明 显。容积效率提高了约20%,而水力效率减少14%,

圆盘摩擦效率下降38%,泵效率降低大约21%。1— 容积效率沢3—内摩擦效率2— 水力效率％ 4—总效率£图13 CFD计算的效率与雷诺数的关系曲线第8期刘建华：黏度对低比转速离心泵性能的影响• 129 •当泵输送高度黏性液体(>90mm'/s),雷诺数 小于15 000,容积效率并不会显著提高，而圆盘摩擦

效率却会大幅下降，相应的泵效率会明显降低。油黏度对泵效率的影响关系见表3。输送低黏度 流体时容积效率提高非常显著。例如，当黏度从1 mm7s增加到35 mm'/s时，容积效率增长14%0然

而，当黏度从35 mm'/s增加到90 mm'/s时，容积效 率仅增长5%。黏度对圆盘效率的影响同样明显，而 圆盘摩擦效率变化范围更大，当黏度从1 mm'/s增加

到35 mm7s时，圆盘摩擦效率减少26%。然而，当 黏度从35 mm7s到增加90 mm'/s时，圆盘摩擦效率

减少13%。此外，CFD结果表明：泵输送清水时， 圆盘摩擦功率占轴功率15%左右，当输送黏度为90 mn?/s的流体时，圆盘摩擦功率占轴功率50%以上。

因此，当黏度增加，尽管水力损失和湍流耗散增加， 泵效率降低的主要原因在于圆盘摩擦损失。表3油黏度对泵效率的影响油黏度/(mm2 • s~')1356490容积效率V.0.750.890.920.94水力效率T)h0.770.690.660.63内摩擦效率776结论研究了黏度对低比速离心泵性能的影响，在设计

工况下CFD的计算结果与实验数据较为吻合，而在

过载情况下CFD计算的准确度是有限的。根据实验 结果和数值研究结果，可以得出如下结论：(1) 在小流量工况下，黏度对泵性能的影响程

度小于设计工况下和过载工况下。当输送黏度为90 mm7s的油时，在50%的设计流量工况下水头系数降

低14%,在110%的设计流量工况下水头系数降低了 大约38%。(2) 随着雷诺数减少，通过口环和平衡孔的泄

漏量明显降低，因此体积效率显著增加。当口环间隙 为0.4时，如果叶轮雷诺数从1.5X106降低到1.7x 104,容积效率提高约20%。(3) 由于雷诺数减少导致了盖板处的量纲一化

旋转角速度明显减少，泵输送的流体雷诺数从1.5x 10°减少到1.7X104,叶轮外圆处和入口处的角速度

分别降低了 10%和30%。(4) 当泵输送的流体用黏度为90 mn?/s的液体

代替水时，圆盘摩擦功率从总轴功率的15%增加到

50%以上。因此，尽管体积效率提高，泵的效率仍下

降 了 21%。(5) 泵输送油品时，利用螺旋减少轴向载荷和

减小口环间隙可以提高容积效率。优化叶轮平衡与前

口环间隙可以提高水力效率和机械效率。参考文献：[1] 李文广.粘度对离心泵作为水能回收液力透平使用的性

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(4) ：450-454.(责任编辑：邓国香)