粘度的影响对低比转速离心泵的性能

文摘

离心泵扬程和流量下降有效地在粘性液体的泵。开发了几种方法和相关性预测减速率离心泵的性能处理粘性液体时,但他们的结果是不彼此很好的协议。在这项研究中,一个常见的工业低比转速泵,广泛应用于不同的应用程序,进行了研究。整个泵,包括叶轮、蜗壳、管道,前后侧壁差距,和平衡孔,在计算流体动力学模拟和三维全纳维斯托克斯方程解决。CFD结果与实验数据相比,如泵性能曲线,在套管静压,圆盘摩擦损失。无量纲角速度和泄漏率调查在侧壁差距和效率变化由于粘度进行了研究。结果表明,流体在侧壁的行为差距是严格敏感粘度。增加粘度提高容积效率降低通过戴戒指和平衡孔内部泄漏,造成,然而,一个磁盘和总体效率明显下降。结果导致一些建议设计离心泵,可用于转移粘性液体。

1。介绍

离心泵通常是能够传输液体的粘度低于520 - 760 cSt。粘度可以增加到1000 cSt通过使用特定的叶轮。然而,对于一个泵经济高效,最大推荐液体粘度150 cSt [1]。100毫米小工业泵叶轮半径和1450 rpm转速、泵送液体。具有150 cSt对应于叶轮的雷诺数Re = 10⁴,而520年和760年春秋国旅匹配Re = 2900和2000年,分别。Ippen一会儿(2)表明,预期的效率,甚至对于大型泵,雷诺数为5000的30%。

离心泵的性能曲线在制造商文档相关测试用冷水。此外,泵的性能预测处理粘性流体计算通常是通过修正图表等一些公司(3)和粘度图水力协会标准(4]。在任何泵系统中,当水被替换的粘性流体,吸收功率增加而产生的头和流量泵减少。这种现象的结果减少泵效率和更明显的与低比转速泵的粘度在圆盘摩擦损失起着决定性的作用。这种损失功率吸收旋转叶轮的外表面之间的流体和套管的内壁。本文具体的离心泵最初是专为低水处理研究分析雷诺数对效率的影响由于粘性流体。

低比转速离心泵,一些研究圆盘摩擦损失等(5- - - - - -7)是基于简化模型中有一个旋转的磁盘在汽缸充满粘性流体,有或没有径向流入或流出,如图1。Littell和伊顿8)测量湍流边界层的特点有效地无限旋转磁盘在静止环境中。Debuchy et al。9,10)提出了新的法律有关的井壁间隙涡流比无量纲流量系数与叠加流量和动静干涉系统,此外,引入一个分析建模的核心流在动静干涉系统中与几个preswirl条件。

近年来,一些实验和数值调查粘度对泵性能的影响已经完成了真正的离心泵。李(11- - - - - -13)进行试验研究离心油泵的性能和研究数字粘度对离心泵性能的影响。李(14]研究在滑流率和粘度的影响因素。他获得最佳数量的叶片泵送液体具有不同粘度和显示一些粘度对流体的影响政权内部的叶轮和蜗壳。Shojaeefard和Boyaghchi15)完成了CFD和实验研究对粘度影响叶轮的速度和表明,叶片出口角增加时,后在叶轮出口宽度的减少,从而导致泵更好的泵性能粘性液体。Nemdili和张春16)利用一种方法测量圆盘摩擦损失和测试磁盘没有和修改出口部分与各种数字,角度和宽度。2003年Gulich [17]呈现不同的相关性估计圆盘摩擦损失在封闭的透平机叶轮。Juckelandt和玉木18]研究了边界层计算损失的影响在低比转速泵和提出了一些啮合准则对这些类型的泵。

2。理论分析

泵的功耗可以被定义为 在哪里流体密度,泵的流量,泵输送的头,是容积效率,液压,圆盘摩擦损失,机械损失。通过增加粘度的权力平衡将会改变在以下方式:(我)随着摩擦系数,通过穿环降低内部泄漏。(2)随着雷诺数增加,液压增加。(3)胎侧叶轮圆盘摩擦损失增长随着粘度增加。(iv)机械损失是独立于液体的粘度。

2.1。圆盘摩擦损失

壁剪切应力发生在套管旋转磁盘表面的流体可以写成: 在哪里摩擦系数,是半径,是磁盘的角速度。合成转矩应用于表面元素是 磁盘的摩擦力量 在哪里叶轮外半径。

2.2。液压作用

理论的离心泵的和有用的头,,水力损失。它可以证明的理论,,本质上是相同的,当一个泵运行与水(下标)或与粘性流体(下标)。水力损失被认为是由摩擦损失,和混合损失,(19]: 摩擦损失的术语与粘度变化;因此,校正因子在粘性泵可以通过以下公式计算19]: 在哪里是摩擦损失的分数可以定义头和主要几何特性。相关性可以用来计算这个分数为范围广泛的特定的速度(19] 更详细的计算过程和可以发现在17,19]。

3所示。泵的几何

研究泵(图2)是一个单级,末端吸入蜗壳泵与一个特定的速度cep的大直径叶轮在额定叶轮。泵是一个回拉拔力建设six-blade闭式叶轮和六个平衡孔,以减少轴向推力。在设计点,液压规格额定叶轮的泵在最佳效率点米³/小时,米,%,rpm,千瓦和叶轮雷诺数对抽水Re = 1.5×10⁶。可以找到更详细的尺寸表1。

4所示。数值模拟

商业CFD数值模拟软件ANSYS大型采用CFX的泵流体域(图3),利用cell-centered控制体积相同的节点速度和压力。混合因素在本地计算,用于空间离散化方法与混合对流项的实现方案。流被认为是在稳态不可压缩和等温。湍流效应是建模,使用- - - - - -海温过程和绝热壁边界条件。这种动荡的方法,据几位学者(17,20.),被认为是最好的选择流程建模的离心泵,因为它展示了一个很好的办法准确性和计算工作(即使对叶轮侧壁的区域差距21]。类似的研究结果如(15,18]证明令人满意的结果- - - - - -风场模型。此外,为了模型过渡,我们受益Langtry表示“状态”的相关性和模拟“伽马θ模式”。

实现一种改进的网格质量,墙壁附近的地区,采用结构化网格,而采用非结构化网格的地区离墙正确覆盖复杂的几何形状(图4)。因此,一个更好的整合之间的网域和复杂几何已经获得。非结构化网格构成的六角螺栓金字塔和楔形的元素。

正交质量、长宽比和偏态时检查网格生成过程,在适当的范围内。网格之间的旋转和静止部分如叶轮和蜗壳或吸入管和叶轮转子附加通过冷冻接口。质量流量与流向和恒压实现入口和出口边界条件,分别。

5。实验装置

一个闭环测试平台满足ISO 9906的要求(22)是为了测量使用的实验参数泵。图5提出了一个示意图的测试设置液体是从水箱(1)为2.1 m³净容积和经过闸阀(2)和吸水管(1.5米长度和40毫米内径)进入调查泵(4)然后返回水箱通过放电管(4米和50毫米内径长度)。有一个横挡板槽内的减少液体晃动和确保流体流到吸入管顺利。泵耦合到交流电机(5)的额定功率和速度3千瓦和1450 rpm,分别。水泵扬程计算通过使用压力传感器精度的满刻度的0.25%(3)和(7),流量调整通过截止阀(8)位于泵的排出管线。稳态流量测量的电磁流量计(9)的准确性为0.5%。计算功率,电动机的转矩和速度通过转矩测量仪(6)和转速表,其精度分别为0.3%和0.1%。

确定井壁压力场的差距,验证数值计算结果,外围的静压分布是通过压力传感器测量精度的满刻度的0.25%。传感器的信号数字化数据采集设备,获取足够的样本,数据平均算术上。流量的不确定性、头、力量,和效率约0.5%,0.3%,0.5%,和1%,分别。

6。结果与讨论

验证CFD模拟,在表2cep条件,无因次稳定状态的结果,静态压力,分布在套管壁,在叶轮毫米为水所示。蜗壳分为6个行业中,有四个孔套管壁的每个部门。静态压力测量平均在每一个点,然后在每一个部门。CFD结果也比较平均在每个部门和相关测量。蜗舌位于°的波动大于其他地方的压力。实验数据和CFD结果一致,平均误差约为2%。泵油的结果也在同一范围的错误。

图6介绍了CFD结果和实验数据之间的比较包括无因次头,和效率与无因次流量,,在那里叶轮出口宽度和吗叶轮外半径。因为它显示CFD和实验数据之间有一个很好的协议即使在部分负荷和过载区域。cep位于的头。

石油泵性能曲线(从不同的方法是绘制在图)产生的7。基于计算分析曲线基于价值从(6),因为它是显示分析法不接近实验在这个问题上,可以用于评估或寻找改变的趋势。

图为发表在[3)计算粘度的影响,介绍了程序的修正因素(和)作为流量的函数、头、运动粘度、旋转速度、比转速的影响,。这种方法是基于测量从6.5到45甚至粘度4000 cSt。由于这种方法不考虑实际流量的比值的影响在cep(流),结果在低流量不同于实验数据;然而,cep附近显示准确的结果。因此,这种方法似乎overpredict粘性油量的损失,因此是更加谨慎的方法。

CFD曲线获得模拟流显示在6操作点和CFD结果和实验数据之间的协议是可以接受的特别是在低流速。最大的错误预期发生过载条件小于10%

这是显示在图7在低流量泵头上粘度的影响小于在更高的流量;因此,关闭泵粘性液体和水没有多少区别。在这个角度来看,部分负载比过载比泵选择过程提供粘性液体。设计师可以选择一个更大的泵,所以操作点定位在cep的左边,因此粘度对泵性能的影响将会减少。表3演示操作点位置的影响,在3常数绝对流量()减少头基于实验数据。

图8说明了效率和对水的吸收功率曲线和粘性流体春秋国旅(),= 880公斤/米³。基于实验结果,校正因子在cep流量等于cep位置由于粘度的转变和效率下降,这个时候近了,而图7显示头系数减少相比,大约是水曲线。由于头部和流量减少,石油是88%的水的密度,这两点的吸收力量互相接近。CFD与实验值相当一致在cep在设计条件错误增加了。

图9显示简化流包括前后渗漏通过戴戒指。内部泄漏对叶轮的眼睛通常影响叶轮吸入口的主要流程。前后戴戒指的泄漏率自平衡孔没有太大差异足够大,戴戒指相比合成摩擦阻力可以忽略不计。在井壁形成涡流差距取决于角动量等几个参数输入流,几何的核心,雷诺数。

图10阐述了漏电流过的速度矢量面前戴上戒指。漏流叶轮吸入眼睛形成涡区在这个地区,影响流体进入叶轮的统一政权。如图10,该区域面积较大时,泵用于抽低粘性流体,比如水。

无量纲的内部泄漏率(通过前面穿环显示在图11。通过增加粘度从1到90 cSt、泄漏率减少了80%以上。限制内部泄漏的另一种方法是限制磨损环间隙以提高容积效率。

当泵的泵是利用粘性流体,利用叶轮叶片或榨油机平衡轴向推力不推荐将圆盘摩擦损失增加。最好的方法是使用平衡孔和交配戴戒指即使有较大的间隙,以减少维修时间间隔和延长使用寿命的戒指。这个几何优化减少面临的风险接触磨损环由于轴偏转或偏差,从而提高了设备的可靠性是完全重要的特定应用程序。API 610标准(23)列出了最低容许运行间隙穿环的离心泵应用于石油,石油和天然气行业这个泵径向间隙是0.15毫米。图中的虚线11展示了最小间隙泄漏率相应。虽然这个修改有效限制泄漏,容积效率几乎可以达到90%,如果介质是水或其他薄液体。来弥补差距的重大负面影响容积效率,戴戒指与一个更大的长度或迷宫形状和小洞可以平衡。诚然,平衡孔数量和直径应足以确保轴向推力控制。

流体的圆周速度侧壁所描述的差距通常是无量纲的角速度,定义为液体的角速度之比的角速度叶轮。图12说明了侧壁沿半径的差距。

当离心泵处理水而不是油,雷诺数和泄漏流量通过环()增加,而他们都是主要的影响参数。当地的水,无量纲角速度向内半径0.9上升,而石油(90 cSt)小于0.6。类似的测量被舒伯特(24)展示了影响泄漏流和雷诺数的角速度。测试结果Hergt和普拉格25离心泵的泄漏率)据报道在图12它显示了良好的协议与水曲线。

图13比较减少雷诺数的影响通过粘性流体在泵效率cep包括积极的影响容积效率和负面影响磁盘上的摩擦和水力效率。根据CFD的结果,在抽水(Re = 1.5×10⁶),容积效率约为75%,液压是77%,摩擦和磁盘效率接近84%,因此总体效率约为47%。通过减少Re = 17×10的雷诺数³以防90 cSt的泵油粘度,值显著变化。容积效率提高了约20%,而液压摩擦减少14%,磁盘效率下降38%,因此整体效率降低大约21%。

如果泵高粘性液体(春秋国旅),这个泵的目的是,似乎,在雷诺数小于15000,容积效率不能明显改善,而磁盘摩擦效率将继续大幅下降,因此总效率会降低更多。

效率的数据量与油粘度总结表4。提高容积效率是低粘度更重要。例如,当粘度从1增加到35春秋国旅,容积效率增长14%;然而,它从35到90 cSt仅增长5%。发生类似的依赖减少磁盘摩擦效率但在范围更大,也就是说,下降26%,粘度从1到35个春秋国旅为13%,35 - 90 cSt。此外,CFD结果表明,抽水,磁盘摩擦功率轴功率的比例大约是15%,但是当流体的粘度90 cSt,这个比例强烈增长超过50%。因此,当粘度增加,尽管水力摩擦损失和湍流耗散在所有组件的增加,降解效率的主要原因是发生在侧壁缺口圆盘摩擦损失。

7所示。结论

摘要减少雷诺数的影响由于粘度的变化在离心泵低比转速泵的性能进行了研究。CFD同意的结果与实验数据在cep地区;然而,在过载情况下,CFD的精度是有限的。考虑到实验和数值研究,结论可以如下:(我)在部分负荷地区,粘度对泵性能的影响小于cep和过载区域。90 cSt石油,头在恒定流量系数仅减少了14%而对于它下降了大约38%。(2)减少雷诺数,泄露流过戴戒指和平衡孔明显降低,因此体积效率增加。对于0.4毫米间隙的穿环,容积效率提高约20%,如果叶轮雷诺数降低到17×10³从1.5×10⁶。(3)无因次旋转角速度的侧壁差距滴有效减少叶轮雷诺数导致更大的拖累。减少10%,30%发生在内部和外部半径,分别从1.5×10时降低粘度⁶17×10³。(iv)圆盘摩擦功率从总轴功率的15%增加到50%以上时水被替换为90 cst液体。因此,尽管体积效率提高,泵的整体效率下降了21%。(v)榨油机的泵油,用于限制轴向载荷和非常紧密的磨损环间隙,提高容积效率应该被避免。叶轮平衡与优化前后环间隙孔可能会被利用,防止不受欢迎的液压和机械效应。

命名法

:	叶轮出口宽度
:	摩擦系数
:	叶轮出口直径
:	头的粘度修正因素
:	粘度对流量校正因子
:	粘度校正因子的效率
:	水头
:	流体在叶轮旋转井壁的差距
:	泵比速
:	压力
:	无因次压力
:	圆盘摩擦功率
:	轴功率
:	机械功率
:	有用的液压动力
:	体积流率
:	叶轮外半径
:	半径
:	无量纲半径
:	雷诺数
:	水力摩擦损失
:	液压混合损失
:	无因次泄漏流
:	分数的摩擦损失
:	流体的角速度
:	运动粘度
:	流体密度
:	头系数
:	流量系数
:	功率系数
:	泵的整体效率
:	泵容积效率
:	泵液压
:	泵的机械效率
:	泵盘摩擦效率。

下标

:	粘性流体
:	水
:	理论
:	泵的最佳效率点。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. a . Nourbakhsh a Jaumotte、c·赫希和h . b . Parizi涡轮泵和泵送系统施普林格,柏林,德国,2008年。视图:出版商的网站
2. a . t . Ippen一会儿”,粘度对离心泵性能的影响。”美国机械工程师学会的事务,卷68,不。8,823 - 848年,1946页。视图:谷歌学术搜索
3. k . Holzenberger和k·荣格KSB离心泵词典,KSB股份公司,1990年版。
4. “液体粘度对泵性能的影响,ANSI /嗨标准9.6.7-2004,2004年。视图:谷歌学术搜索
5. b . Hudimoto和k . Hirose“转盘的摩擦阻力,”日本机械工程师学会的事务,17卷,不。56岁,92 - 95年,1951页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. k . Watabe“封闭的流体阻力旋转的光盘,”JSME简报》,8卷,不。32岁,609 - 619年,1965页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·m·欧文和j . r . Pincombe”速度测量在一个旋转的圆柱形谐振腔径向流出的液体,“流体力学杂志,卷99,不。1,第127 - 111页,1980。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h . s . Littell和j·k·伊顿边界层的湍流特征一个旋转的磁盘上,“流体力学杂志卷,266年,第207 - 175页,1994年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r . Debuchy f·阿卜杜勒·努尔,木香,“流动行为与叠加流动静干涉系统,”旋转机械的国际期刊文章ID 719510卷,2008年,10页,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. r . Debuchy f·a·努尔·g·博伊斯,”一个核心流的分析建模和几个preswirl动静干涉系统条件下,“流体工程,卷132,不。6、2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. w·g·李和z . m .胡锦涛,“离心油泵的性能试验研究,“流体机械,25卷,不。2,3 - 7,1997页。视图:谷歌学术搜索
12. W.-G。李”,影响粘度的液体在叶轮离心泵性能和流型,”国际期刊的热和流体流动,21卷,不。2、207 - 212年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. W.-G。李”,数值研究的行为时离心泵输送粘性oils-part 1:性能,”国际期刊的涡轮喷气发动机,25卷,不。2、61 - 79年,2008页。视图:谷歌学术搜索
14. W.-G。李,“流率和粘度对滑移的影响因素的离心泵处理粘性油,“旋转机械的国际期刊文章ID 317473卷,2013年,12页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. m . h . Shojaeefard和f·a·Boyaghchi”,研究不同的影响在离心泵叶片出口角处理粘性液体时,“美国应用科学杂志》上,4卷,不。9日,第724 - 718页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Nemdili和d·h·张春,”调查的流体摩擦旋转磁盘有或没有修改出口部分在现实离心泵外壳中,“大幅减退im Ingenieurwesen,卷71,不。1,59 - 67年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. j . f . Gulich离心泵施普林格,柏林,德国,2014年。视图:出版商的网站
18. k . Juckelandt F.-H。玉木,“在透平机的模拟壁面函数方法的适用性,”ASME涡轮学报》2015年世博会:涡轮技术会议和博览会(GT的15),2015年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. j . f . Gulich”与离心泵高粘性液体pumps-part 1”世界泵,卷1999,不。395年,34,1999页。视图:谷歌学术搜索
20. 王y和w·j·王,“涡粘性湍流模型的适用性低比转速离心泵,”IOP会议系列:地球和环境科学,15卷,不。6、文章ID 062013, 2012。视图:谷歌学术搜索
21. 庞赛特,r . Da Soghe, b . Facchini”跑流在旋转磁盘系统的建模,”第五届欧洲会议程序计算流体动力学(ECCOMAS CFD的10)2010年6月,里斯本,葡萄牙,。视图:谷歌学术搜索
22. ISO,“Rotordynamic泵:液压性能验收tests-grades 1和2”ISO9906年,2000年。视图:谷歌学术搜索
23. API,离心泵为石油重型化工和天然气行业服务API标准610,第11版,2009年版。
24. f·舒伯特Untersuchungen der德鲁克-和geschwindigkeitsverteilung radseitenraumen径向stromungsmaschinen[博士。论文),你布伦瑞克,布伦瑞克,德国,1988年。
25. p . Hergt和美国普拉格”,不同的参数对离心泵的圆盘摩擦损失,”液压机械学报》上,页172 - 179,布达佩斯,匈牙利,1991。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2016 Rouhollah Torabi Seyyed Ahmad Nourbakhsh。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。