Projeto de otimização do fenômeno de corcunda da bomba centrífuga de baixa velocidade específica com base em CFD e teste ortogonal

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12121 (2022) Citar este artigo

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Com o objetivo de eliminar o fenômeno de hump em uma bomba centrífuga de baixa velocidade específica, seus parâmetros estruturais foram otimizados usando o método de fluidodinâmica computacional. Com base no modelo de turbulência \(k - \varepsilon\), foi realizada uma análise 3D estável do campo de fluxo interno. A tabela ortogonal \(L_{9} \left( {3^{4} } \right)\) foi estabelecida e quatro parâmetros estruturais, incluindo o diâmetro de saída do impulsor, largura de saída do impulsor, número de pás e ângulo de saída da pá , foram selecionados como fatores de influência. Nove esquemas de testes ortogonais foram desenvolvidos e os resultados foram analisados ​​pelo método de análise de matriz de pesos, obtendo-se o peso dos fatores selecionados nos resultados dos testes. O esquema ideal foi selecionado de acordo com o peso e os resultados da análise da matriz de peso mostraram que a largura de saída do impulsor teve influência dominante na cabeça, potência do eixo e eficiência. Além disso, o número da pá foi o principal fator de influência para a potência e eficiência do eixo. A bancada de testes de controle de vazão da bomba centrífuga foi construída para realizar a simulação numérica e testar todos os índices protótipos e de otimização da bomba. Através do teste de característica externa, pode-se verificar que o \(\beta_{2} Z^{0,773}\) da bomba otimizada é 87,889, que é 24,89% menor que o da bomba protótipo, que efetivamente otimiza a corcunda fenômeno da bomba centrífuga. Os resultados experimentais mostraram que em condições de trabalho subestimadas, o desempenho de trabalho da bomba otimizada melhorou significativamente. O tamanho da cabeça foi reduzido em 1,424% e a eficiência foi aumentada em 7,896%. Ao otimizar os parâmetros estruturais da bomba, sua perda hidráulica de rastro de jato foi reduzida e o fenômeno de elevação da curva de carga foi efetivamente eliminado. Todos os índices de desempenho da bomba otimizada foram superiores aos do protótipo, verificando tanto a precisão quanto a confiabilidade do teste ortogonal e do método de análise de matriz ponderada. Finalmente, os resultados obtidos fornecem uma referência para o projeto estrutural de bombas centrífugas de alto desempenho.

Uma bomba centrífuga de baixa velocidade específica é um tipo de bomba centrífuga com uma velocidade específica variando entre 20 e 80. É caracterizada por baixo fluxo, cabeça alta e baixo volume, e é amplamente utilizada na produção e na vida útil1. Usando uma bomba centrífuga de baixa velocidade específica, é fácil produzir um fenômeno de ressalto instável sob a condição de baixa vazão. Isso, por sua vez, aumenta a vibração e o ruído, encurtando assim a vida útil da bomba e reduzindo sua confiabilidade de trabalho. Atualmente, o mecanismo do fenômeno de curvatura das bombas centrífugas de baixa velocidade específica não é claro, e o fenômeno de curvatura da cabeça não pode ser eliminado do projeto. Portanto, além de estudar o mecanismo de funcionamento da bomba centrífuga, também é necessário otimizar os parâmetros estruturais críticos da bomba para melhorar seu desempenho de trabalho.

Por muito tempo, reduzir e eliminar o fenômeno de curvatura da cabeça da bomba centrífuga com baixa velocidade específica tornou-se um segmento importante da pesquisa de bombas centrífugas. Zhang Desheng et al.2 estabeleceram dez esquemas de projeto e realizaram simulação numérica e previsão de desempenho em bombas centrífugas de baixa velocidade específica. Os autores obtiveram distribuições de pressão estática, linhas de corrente, velocidade e energia cinética turbulenta na bomba e melhoraram as características de fluxo interno. Zhang et al.3 utilizaram o modelo de turbulência SAS para realizar a simulação numérica de canal completo da turbina-bomba, determinando o efeito do mecanismo da estrutura do fluxo da bomba nas características do ressalto. Zhang Peifang et al.4 analisaram o desempenho hidráulico de bombas centrífugas de baixa velocidade específica, observando a causa do fenômeno do head curve hump com o objetivo de propor uma solução. Li et al.5 usaram a equação tridimensional de simulação de valor constante para projetar as pás da bomba. Além disso, eles analisaram as características de fluxo do impulsor e encontraram as características de descarga de energia da bomba no modo de zona de elevação. Chen et al.6 experimentaram adicionar duas partições na seção de sucção da bomba. Os resultados experimentais mostraram que o método proposto pode efetivamente melhorar a curva de desempenho da bomba centrífuga IS e eliminar a protuberância da curva de carga.