分流葉片及其偏置設計對離心泵性能影響的研究

安滿意，劉小兵，黃長久，柯 強，曾章美(西華大學能源與動力工程學院，成都 610039)

離心葉輪機械現(xiàn)如今已廣泛應用于各行各業(yè)，它消耗著大量能源，因此提高離心葉輪機械的效率，擴大其工作范圍，提高運行穩(wěn)定性等對國民經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)約能源將產(chǎn)生重要的影響[1]，分流葉片設計方法有效地改善了葉輪內(nèi)的流場分布，它將長,短葉片間隔布置，提高了離心泵的揚程和效率，改善了離心泵的綜合性能。目前國內(nèi)外有關分流葉片設計方法的研究也取得了一些有價值的成果[2-8]，但是還未形成一套有價值的設計理論，因此，對離心泵進行分流葉片設計方法的數(shù)值模擬研究，有著重要的理論意義。

本文采用數(shù)字化設計軟件Cfturbo，設計出目標模型，運用CFD數(shù)值模擬程序分析了分流葉片在不同偏置度θ和不同進口直徑D條件下對離心泵不同工況下內(nèi)部流場及性能的影響。將長葉片壓力面與分流葉片吸力面之間的流道稱為流道1，將長葉片吸力面和分流葉片壓力面之間的流道稱為流道2[9]。

1 離心泵水力設計分析

1.1 模型泵參數(shù)

選取一臺比轉(zhuǎn)速為103的單機離心泵為研究對象，閉式葉輪進口直徑D1=139 mm，葉輪出口直徑D2=273 mm，設計參數(shù)：流量Q=130 m3/s，揚程H=22 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min,葉片數(shù)為5，加上分流葉片后總?cè)~片數(shù)為10(5片長葉片，5片分流葉片相間分布，分流葉片的偏置度θ分別為30%， 40%， 50%， 60%)，分流葉片進口直徑分別選取0.6D2，0.7D2，0.8D2。限于篇幅原因，本文先針對分流葉片進口直徑為0.7D2進行不同偏置度的研究，再進行分流葉片徑向布置的研究。分流葉片偏置設計方案見圖1，數(shù)值模擬方案見表1。

1.2 控制方程

采用時均化的連續(xù)性方程，納威-斯托克斯方程(RANS)及基于布辛涅斯科(Boussinesq)渦團黏性假設的二方程湍流模型中的標準k-ε模型(sk-ε)，即：

圖1 分流葉片偏置設計方案 Fig.1 Splitter blades deviated angle design

表1 數(shù)值模擬方案Tab.1 Numerical simulation design

連續(xù)性方程為：

(1)

動量方程為：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

其中：

；cμ=0.09；

Cε1=1.44,Cε2=1.92；

σκ=1.0，σε=1.3

1.3 網(wǎng)格劃分

采用流場數(shù)值模擬軟件ANSYS CFX前處理網(wǎng)格劃分軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，其中進出口延伸段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，蝸殼和葉輪采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪計算網(wǎng)格數(shù)為483 586個，蝸殼計算網(wǎng)格數(shù)為446 067個，進出口延伸段計算網(wǎng)格數(shù)為140 727個，網(wǎng)格質(zhì)量良好。計算模型及網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 離心泵三維流道圖Fig.2 Flow field model of centrifugal pump with splitter blades

1.4 邊界條件

進口邊界條件采用總壓進口(total pressure inlet)，假設在進口截面上壓力均勻分布，出口條件給定出口質(zhì)量流量(mass flow rate)，通過出口邊界條件控制模型的質(zhì)量流量。近壁面處選用標準壁面函數(shù)，壁面邊界條件設為絕熱無滑移壁面；湍流模型設為標準k-ε湍流模型；在進口延伸段和葉輪，葉輪和蝸殼之間設置動靜交界面(frozen-rotor interface);收斂精度設為1×10-5。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 分流葉片偏置度對流場的影響

對比方案B～E與原型泵(見圖3)，帶分流葉片后，在設計流量下靜壓比原型泵明顯提高，說明帶分流葉片泵揚程增大，運行范圍偏向大流量，性能更優(yōu)，蝸殼螺旋線區(qū)域內(nèi)，靜壓變化梯度明顯減小，分布更趨均勻，未出現(xiàn)靜壓相對較大區(qū)域，有利于葉輪出口處壓力脈動減小和流動損失降低，對比方案B～E，靜壓變化規(guī)律趨勢一致，方案C葉輪進口低壓區(qū)靜壓變化梯度明顯小于方案B和方案D、E，進口流態(tài)更穩(wěn)定。

分析圖4中方案B～E與原型泵流線分布圖，可看出，長葉片與分流短葉片壓力面的速度小于吸力面，這是由于壓力面為工作面，對流體做功致使壓力增加，速度減小。從圖4方案A的原型泵流線分布圖可以看出，存在低速尾流區(qū)并伴隨有漩渦，脫流較為嚴重，葉輪出口存在射流現(xiàn)象，導致沖擊損失增加，蝸殼出口流態(tài)紊亂，速度分布不均勻，變化梯度較大，低速區(qū)域范圍較大且有回流和漩渦存在，蝸殼擴散段利用率較低。對比方案B～E與原型泵，葉輪和蝸殼內(nèi)速度分布情況在帶分流葉片后明顯改善，相同半徑處速度分布更為均勻。由于分流葉片的作用，葉片吸力面流體的分離和脫流被抑制，流體運動被更好的控制，葉輪出口流態(tài)趨于穩(wěn)定，水力損失減小。蝸殼內(nèi)速度分布較原型泵更均勻，蝸殼擴散段利用率也同時增大。

圖3 設計流量下帶分流葉片方案與原型離心泵的靜壓分布云圖Fig.3 Static pressure distribution of prototype pump and splitter blades pump on design flow point condition

圖4 設計流量下帶分流葉片方案與原型離心泵的流線分布云圖Fig.4 Streamline distribution of prototype pump and splitter blades pump on design flow point condition

方案D，E，在隔舌附近的流道2均出現(xiàn)不同程度的漩渦，有明顯的回流，湍動能值很大，方案B在蝸殼出口處出現(xiàn)明顯的流線分布不均勻，葉輪出口存在射流現(xiàn)象，引起蝸殼出口流態(tài)紊亂，方案C內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的回流和漩渦，蝸殼內(nèi)流線分布也相對均勻，所以方案C的分流葉片偏置度最優(yōu)?？芍?，分流葉片的不合理的周向偏置會引起葉輪流道內(nèi)強烈的湍流脈動，直接影響葉輪流道流動的穩(wěn)定性。

2.2 分流葉片偏置度對離心泵性能的影響

利用數(shù)值模擬計算得出的數(shù)據(jù)繪出H-Q以及η-Q曲線，如圖5(a)，通過曲線可以看出：增加分流葉片后，方案B～E 的揚程和效率有明顯的提高，揚程的大小依次為：C>D>E>B>A ，其中方案C的最高揚程為25.56 m，6種不同方案下的效率大小依次是：C>B>D>E>A，方案C的效率最高為86.37%，圖5(b)為不同方案下軸功率性能預測值的對比，軸功率大小以此為D>C>E>B>A，在變工況條件下方案D，C軸功率曲線陡增，及分流葉片明顯提高了離心泵的軸功率， 相比方案B～E，更加證實了方案C的偏置度為最優(yōu)，同時對比國內(nèi)外已取得有價值的試驗成果，其揚程及效率曲線走勢相似，數(shù)值模擬結(jié)果能夠真實地反映離心泵葉輪內(nèi)部的流動狀態(tài)，并為離心泵的性能預測提供可靠依據(jù)。

圖5 方案A～E的H-Q，η-Q曲線以及P-Q曲線 Fig.5 H-Q, η-Q and P-Q curves of plan A～E

2.3 分流葉片進口直徑對流場的影響

對比方案C1，C，C2分流葉片的不同徑向布置對離心泵流場的影響，如圖6，方案C相比方案C1，C2蝸殼螺旋線區(qū)域內(nèi)，靜壓變化梯度明顯減小，分布更趨均勻，未出現(xiàn)靜壓相對較大區(qū)域，如圖7，方案C1，C2在蝸殼隔舌附近葉輪流道內(nèi)均出現(xiàn)明顯的回流和漩渦，脫流較為嚴重，方案C效果最佳。

2.4 分流葉片進口直徑對離心泵性能的影響

圖8為分流葉片不同進口直徑下的H-Q以及η-Q曲線，及軸功率性能曲線，揚程大小排序依次是：C>C1>C2，軸功率值大小排序依次是：C1>C>C2效率值大小排序依次是：C>C1>C2，所以分流葉片進口直徑為0.7D2，偏置度為0.4θ的C方案分流葉片布置位置最優(yōu)，對離心泵性能改善最明顯。

圖6 設計流量下分流葉片不同進口直徑的靜壓分布云圖Fig.6 Static pressure distribution of different inlet diameter splitter blades pump on design flow point condition

圖7 設計流量下分流葉片不同進口直徑的流線分布云圖Fig.7 Streamline distribution of different inlet diameter splitter blades pump on design flow point condition

3 結(jié) 論

(1)添置分流葉片有利于改善低比轉(zhuǎn)速離心泵壓力、速度分布，能有效抑制葉片吸力面流體脫流和分離，減少流動損失，提高葉輪出口壓力；改善蝸殼出口流態(tài)，提高出口壓力，從而增加揚程，提高離心泵性能。但是分流葉片的不合理布置，會引起葉輪流道內(nèi)強烈的湍流脈動，造成離心泵整體性能的下降。

(2)通過CFD技術數(shù)值模擬離心泵外特性曲線預測添加偏置分流葉片后離心泵性能，離心泵整體性能顯著提高，揚程平均增加11.8%，效率平均增加9.6%，泵在大流量工況運行時性能變優(yōu)。通過數(shù)值模擬預測，分流葉片進口直徑為0.7D2，偏置度為0.4θ，離心泵的性能可以得到很好

圖8 方案C1，C，C2的H-Q，η-Q曲線以及Ρ-Q曲線Fig.8 H-Q, η-Q, and P-Q curves of plan C1, C, and C2

的改善。

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