急冷油泵内颗粒对叶轮磨损的数值模拟分析_杨顺银.pdf
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1、2023 年第 2 期急冷油泵内颗粒对叶轮磨损的数值模拟分析*杨顺银杨春野(嘉利特荏原泵业有限公司,浙江瑞安325204)摘要:因急冷油中含有固体颗粒,在运行过程中会对泵的过流部件造成磨损,从而影响泵的寿命。基于离散模型(DPM),针对不同粒径、不同浓度的颗粒对叶轮的磨损进行了数值模拟分析。研究结果表明:颗粒粒径保持不变时,随着颗粒质量浓度的增大,急冷油泵过流部件上的磨损位置不变,磨损量增加;颗粒质量浓度保持不变,当粒径从 0.025 mm 增加到2 mm时,叶片工作面尾缘磨损程度加剧,背面磨损程度降低,前盖板靠近背面一侧磨损减弱,靠近工作面一侧磨损加剧;颗粒粒径与颗粒浓度不变的情况下,通过优
2、化叶片的出口角度,可以适当降低整体的磨损率,达到优化作用。关键词:急冷油泵颗粒叶轮磨损数值模拟中图分类号:TH311文献标识码:A*基金项目:国家自然科学基金项目(U22A20209)急冷油泵是乙烯裂解装置中的关键设备,由于急冷油介质粘度大,并含有大量硬质焦粉颗粒,在运行过程中会对泵的过流部件造成磨损,严重影响了泵的使用寿命。为了研究固体颗粒对泵性能的影响,许多学者在数值模拟、流动观测试验及性能试验等方面进行了研究。黄凯等1 采用 CFD DEM对离心泵内部固液两相流进行数值计算,通过监测过流部件的磨损率和颗粒的运动,分析了不同颗粒浓度时叶片的磨损率、颗粒的平均速度、颗粒与壁面的接触次数和接触
3、力。曾小东等2 采用 Fluent软件、运用 Mixture 模型分析了颗粒粒径对离心泵性能的影响及离心泵内流场特性、颗粒分布规律。在叶轮内,颗粒主要集中在吸力面侧,随着粒径增大,颗粒沉积区域向叶轮出口滑移,离心泵整体扬程下降,轴功率上升,效率阶段性上升。刘娟等3 应用雷诺应力模型,通过对固液流场中大量固体颗粒运动轨迹的拉格朗日追踪,对离心泵固相体积分数较低的固液流场中颗粒运动轨迹、颗粒与过流部件表面的相互碰撞过程、固液两相流磨损进行了数值模拟,表明离散相颗粒的性质及叶轮运行转速对颗粒运动轨迹及与壁面的碰撞过程有重要的影响。宋龙波、董文龙等4 5 针对大尺寸固体颗粒对输送泵叶轮的磨损问题及对离
4、心泵内固液流场中大直径颗粒的粒子运动进行了数值模拟,并对颗粒的运动轨迹、固液两相流磨损进行了进一步的分析。以上文献虽然针对固液两相混输泵的内部流动和外部特性进行了分析,但是颗粒尺寸在微米尺度范围内,属于细颗粒的两相流动问题。当含有多种尺度的颗粒,且一种颗粒具有明显的离散特征时,该计算方法不能准确描述含粗、细两种尺度颗粒的固液两相流问题。针对较大颗粒的运动,大多只基于体积平均方法计算颗粒的宏观分布规律,对颗粒 颗粒以及颗粒 壁面间的相互作用研究还很欠缺。因此,构建针对固液两相的完善模型,并准确预测急冷油泵内的流动以及颗粒对性能、磨损的影响至关重要。基于离散模型(DPM),针对不同粒径、不同浓度的
5、颗粒对叶轮的磨损进行了数值模拟分析。1磨损模型在 DPM 中需要对过流部件的壁面进行边界条件设置,流体沿泵进口进入离心泵流域后,由于泵结构的不规则性,流体中的颗粒对壁面具有强烈的冲蚀作用,因此在计算流体中颗粒对离心泵的磨损量时需要通过软件中的磨损公式进行处理,CFD软件通过变换 Finnie 冲蚀磨损模型的公式为:erosion=Npp=1?mpC(dp)f()vb(v)Aface(1)52023 年第 2 期C(dp)=1.22H0.59WFs(2)f()=17.9 33.42(/12)8i=1ii 1(/12)(3)式中,erosion为磨损速率;C(dp)为颗粒尺寸函数;f()为颗粒射入
6、角函数;v 为颗粒速度;b(v)为颗粒相对速度函数;Aface为壁面面积;mp为质量流量。2不同颗粒粒径下的磨损分析在颗粒质量浓度为 0.06%wt、0.14%wt 以及0.18%wt 时,分别对 0.025 mm、0.1 mm、0.5 mm、2.0 mm 四种粒径进行 DPM 计算,待充分流动后对磨损结果及颗粒流动状态进行分析。通过颗粒流动状态,分析不同粒径下颗粒在离心泵内的流动状况;比较不同粒径下,颗粒对叶轮叶片与后盖板壁面磨损的影响。2.1不同粒径下叶片的磨损分析由图 1 图 3 可知,在粒径为 0.025 mm 时,叶片磨损主要聚集在叶片背面尾部及前盖板靠近叶片背面端,在后盖板上靠近工
7、作面端的磨损程度较低;在粒径为 0.1 mm 时,叶片背面的磨损程度降低,工作面进口位置磨损程度开始增加,前盖板上靠近背面一侧磨损程度降低,靠近工作面尾缘一侧磨损增加,后盖板上靠近工作面一侧磨损程度增加;在粒径达到 2 mm 时,叶片背面尾部磨损程度较低,工作面进口处磨损程度严重,前盖板上靠近工作面一侧尾缘磨损严重,靠近背面一侧磨损程度很低,后盖板上靠近工作面尾缘和尾部一侧磨损严重。由上述内容可以看出,当颗粒粒径增大时,叶图 1不同粒径的颗粒在 0.06%wt 质量浓度下对叶片的磨损图 2不同粒径的颗粒在 0.14%wt 质量浓度下对叶片的磨损图 3不同粒径的颗粒在 0.18%wt 质量浓度下
8、对叶片的磨损62023 年第 2 期片工作面尾缘、后盖板上工作面端磨损加剧,前盖板上的磨损位置从靠近背面端向工作面端迁移,而且前盖板上在靠近工作面尾部一侧磨损明显增大。2.2颗粒粒径对磨损量的影响由图 4 可以看出,随着颗粒直径的增大,急冷油泵的最大磨损量与面平均磨损量整体是线性增大的。在 0.025 0.1 mm 的区间内,最大磨损量有递减的趋势,这是由于颗粒直径过小,使得最大磨损量下降,而面平均磨损量是不断递增的,符合总体规律。3不同颗粒质量浓度下的磨损分析在颗粒粒径保持一致时,对颗粒质量浓度分别为 0.06%wt、0.14%wt、0.18%wt 的三种浓度进行 DPM 计算,待充分流动后
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