前置葉片式葉輪對微型高速離心泵性能的影響

柴立平，曹林松，李　躍，俞嘉楓，燕　浩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)化工機械研究所，合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009)

0　引　言

微型高速離心泵一般用來為激光裝置輸送冷卻液。受工作空間及能量供給方式限制，微型高速離心泵一般具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、流量低等特點。但由于高轉(zhuǎn)速的原因，離心泵在運行時具有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性主要是由于葉輪進口處的回流旋渦引起的[1-4]。葉輪進口處回流會降低泵的效率，惡化葉輪進口條件，誘導(dǎo)引發(fā)振動和噪聲，甚至產(chǎn)生汽蝕破壞過流部件，降低泵的使用壽命[5,6]。因此減小離心泵葉輪進口處的回流量對于泵的性能提升具有一定意義。

國內(nèi)外學(xué)者運用了很多方法對離心泵葉輪進口處回流進行控制。劉甲凡[7]提出了在進水管中安裝阻旋片，可以防止進水管中預(yù)旋的傳播。P.Cooper等[8]設(shè)計了一種回流器，可以分離主流與回流，只將回流從葉輪引出，當(dāng)回流的能量消散后，再讓其流回進水管。這種設(shè)計可以避免在葉輪進口處產(chǎn)生旋渦，從而優(yōu)化葉輪進口條件。宋文武等[9]提出了一種在進水管前方設(shè)置孔板的誘導(dǎo)輪，通過數(shù)值模擬得出孔板可以改善葉輪進口處回流旋渦，減小誘導(dǎo)輪的低壓區(qū)，從而提高高速泵的水力性能。陳英華等[10]為了縮小進水管過流面積，設(shè)置了縮流板，可以改善入流條件。張金鳳等[11]在葉輪進口處注入高壓水以改善入流流線分布，削弱回流強度。林剛等[12]通過數(shù)值模擬的方式來研究葉輪的幾何參數(shù)對回流特性的影響，結(jié)果表明隨著葉輪進口邊向前延伸，葉輪進口處回流的強度有所減弱，離心泵性能得到提升。

牟介剛等[13]研究了葉輪口環(huán)間隙與汽蝕余量的關(guān)系，結(jié)果表明減小口環(huán)間隙可以優(yōu)化入口流態(tài)，從而提高離心泵汽蝕性能。

目前，相關(guān)學(xué)者大多通過改變進水管或葉輪進口附近結(jié)構(gòu)來減小回流對離心泵性能的影響。而本文提出了一種前置葉片式葉輪，在葉輪前蓋板處添加前置葉片，依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使前腔中的回流重新返回到葉輪中，從而減小葉輪進口處的回流量。隨著計算流體力學(xué)(CFD)的迅速發(fā)展，可以避免使用經(jīng)驗公式修正容積損失，可信度得到提升。因此本文對離心泵進行數(shù)值模擬來研究前置葉片式葉輪對離心泵性能的影響。

1　研究對象

1.1　模型建立

研究對象為一臺高速離心泵，其葉片數(shù)Z=6，比轉(zhuǎn)速為ns

=62；設(shè)計參數(shù)：流量Qd=3 L/min,揚程H=6.5 m，轉(zhuǎn)速為n=10 000 r/min。泵內(nèi)部計算域的三維模型采用Pro/E軟件繪制。其計算域模型爆炸視圖如圖1所示。

圖1　計算域模型爆炸視圖Fig.1 Exploded figure of computational domain

1.2　方案設(shè)計

為探究不同前置葉片型式對離心泵性能的影響，計算模型采用以下3種方案：

方案一：離心泵葉輪不做處理，如圖2(a)所示；

方案二：離心泵葉輪前蓋板處增置直葉片且葉片數(shù)為6，如圖2(b)所示；

方案三：離心泵葉輪前蓋板處增置圓柱形葉片且葉片數(shù)為6，如圖2(c)所示。

圖2　3種方案葉輪型式Fig.2 Impeller type of three schemes

1.3　網(wǎng)格劃分及無關(guān)系驗證

本文采用ICEM CFD軟件對計算域進行前處理，計算域包括：進口延伸段，間隙，葉輪和蝸殼，且均采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量一般會影響計算精度及仿真結(jié)果，所以為了確定合適的網(wǎng)格數(shù)，要進行網(wǎng)格無關(guān)系性分析，如圖3所示。如圖可以看出隨著計算域網(wǎng)格數(shù)的增加，泵揚程逐漸上升最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過90萬后，泵的揚程基本穩(wěn)定不變，計算結(jié)果受網(wǎng)格數(shù)影響較小。因此，最終確定模型的計算網(wǎng)格數(shù)為95萬。

圖3　網(wǎng)格數(shù)與泵揚程變化的關(guān)系Fig.3 Relationship between pump head and the number of grid

1.4　湍流模型選取及邊界條件

本文的數(shù)值模擬采用三維不可壓縮雷諾時均N-S方程，并選用Shear Stress Transport(SST)湍流模型使方程封閉。采用有限體積法進行數(shù)值離散，其中擴散性采用二階中心差分格式離散，對流項采用二階迎風(fēng)格式離散。SSTk-ω模型是在BSLk-ω模型的基礎(chǔ)上改進了渦黏性的表達式，以考慮湍流主切應(yīng)力主項的影響，這樣，SSTk-ω模型使得對逆壓梯度流動的預(yù)測(如分流)得到了重要的改進。

計算域的進口邊界條件選擇總壓(Total Pressure)入口條件作為邊界條件類型，并輸入具體的值1 atm；計算域出口邊界條件選擇質(zhì)量流量(Mass Flow Rate)作為邊界條件類型，取值根據(jù)模擬的工況流量確定；轉(zhuǎn)子區(qū)域選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其旋轉(zhuǎn)速度為泵轉(zhuǎn)速；近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法進行處理。

2　計算結(jié)果及分析

2.1　外特性分析

離心泵的外特性性能曲線是一種評判離心泵的性能優(yōu)越性的方法，其能夠綜合、直觀和全面地得表達被測量泵的各項重要性能。針對不同的優(yōu)化方案，分別對3種種方案下的0.2Q、0.4Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q七種工況進行數(shù)值模擬。通過對計算結(jié)果的處理，得到了泵的流量Q-揚程H、流量Q-效率h曲線，如圖4所示。

圖4　泵的外特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of pump

由圖4可以看出3種方案的揚程都隨著流量的增大而減小，遵循離心泵性能曲線的變化規(guī)律。各工況下，方案二和方案三的揚程較方案一的揚程均有不同程度的提高，在小流量工況下提高的幅度比較明顯，提高的幅度最高達到了7%，在大流量工況下?lián)P程提高的幅度較小，為3%左右。其原因可能是小流量工況下，回流量對泵性能影響較大；隨著流量的增大，回流量對泵性能的影響也隨之減弱。從圖中還可以看出，當(dāng)流量小于標(biāo)準(zhǔn)工況流量時，方案三的揚程要大于方案二；而流量大于標(biāo)準(zhǔn)工況流量時，方案三的揚程要小于方案二。三種方案下的效率均先升高再降低，并都在標(biāo)準(zhǔn)工況流量下達到了最大值。方案二和方案三的效率在各工況流量下均大于方案一，提升幅度最大為6%。而方案二和方案三在各工況流量下的效率相近，除了流量為0.2Qd時，方案三的效率要略大于方案二。

綜合以上的分析可以看出，在離心泵前蓋板處添加前置葉片對離心泵的性能有一定的提升作用。

2.2　試驗驗證

對方案一進行實驗，結(jié)果如圖5所示。Q-H和Q-η曲線的試驗值(EXP)與仿真值(CFD)能較好吻合，額定工況下誤差分別為3%和4%，這主要是因為一方面泵在鑄造過程中可能與模型存在一定誤差，另一方面泵內(nèi)存在機械損失、圓盤損失、容積損失和水力損失等導(dǎo)致泵效率下降。由圖5可知，試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模擬的正確性。

圖5　模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較Fig.5 Comparison of simulation results and experimental results

2.3　內(nèi)部流場分析

圖6為3種方案在標(biāo)況流量下YZ面渦量分布圖。渦量是速度場的旋度，且本文僅考慮Z方向的旋度即：

(1)

圖6　3種方案YZ面渦量圖(單位：s-1)Fig.6 YZ surface vorticity diagram of three schemes

渦量通常用來度量旋渦流動的大小和方向。由泵前腔泄露的流體產(chǎn)生的回流在葉輪的進口與主流混合，惡化了葉輪進口條件，在也葉輪進口區(qū)域出現(xiàn)旋渦。由圖6可以看出，方案一的葉輪進口附近的渦量區(qū)域最大，方案二和方案三的渦量區(qū)域較小，方案二的渦量區(qū)域最小。說明在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片，可以使由于回流沖擊主流造成的旋渦的數(shù)量減少，可以使葉輪進口處由于回流沖擊作用造成的水力損失減少，從而增大離心泵的水力效率。

圖7為3種方案在標(biāo)況流量下葉輪XY面湍動能分布云圖。湍動能 是湍流模型中比較常見的物理量，一般用湍流強度表示估算湍動能，其公式為：

(2)

其中：

I=0.16Re-0.125

圖7　3種案XY面湍動能分布云圖(單位：m2/s2)Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy on XY plane of three schemes

由圖7可以看出，方案二中葉輪低湍動能區(qū)域最大，其次是方案三，說明方案二中的葉輪湍動能最小，方案一中的葉輪湍動能最大。根據(jù)式(2)可知，湍動能增加時，湍流強度增大，流體能量耗散增強，水力損失增大。這說明在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片后，離心泵葉輪內(nèi)湍動能減小，湍流強度減小，流體能量耗散減弱，導(dǎo)致葉輪內(nèi)水力損失減少，最終提高離心泵的水力效率。

2.4　泄漏量

為讀取不同工況下離心泵的口環(huán)泄漏量，在CFX-POST 軟件中垂直于口環(huán)軸線方向作1個軸截面，確定不同流量下口環(huán)處的泄漏量。為了可以更直觀比較方案二、方案三離心泵泄漏量與方案一離心泵泄漏量的差異，以方案一離心泵的泄漏量為標(biāo)準(zhǔn)，計算另外兩種離心泵泄漏量的偏差，為此引入無量綱參數(shù)R，R為：

(3)

式中：Q1為方案一某工況下的泄漏量；Qb為方案二或方案三相對應(yīng)工況下的泄漏量。

表1　兩種方案離心泵泄漏量的偏差Tab.1 Deviation of leakage rate of centrifugal pumps in two schemes

由表1可以看出方案二、三與方案一相比，其泄漏量在各工況下都有所降低，且流量越大泄漏量降低的越多，降低幅度都在25%以上；而方案三離心泵泄漏量的偏差隨著進口流量的增加而減少，且在大流量工況下泄漏量基本與方案一相同。

2.5　運行穩(wěn)定性分析

2.5.1監(jiān)測點設(shè)置

為了能夠較好地得到非定常仿真的頻率分辨率，本文選取葉輪每旋轉(zhuǎn)3°計算一次，共計算6個葉輪旋轉(zhuǎn)周期，即總共720步，計算總時間0.036 s，對應(yīng)的每一步時間為5×10-5s，仿真計算一步，即相當(dāng)于對流場信息進行一次采樣。為分析葉輪添加前置葉片對蝸殼內(nèi)及葉輪進口附近壓力脈動的影響，本文分析標(biāo)況下蝸殼內(nèi)部及葉輪進口處的壓力脈動情況。在蝸殼周向上每隔45°布置一個點，總共8個點；在進水管內(nèi)設(shè)置3個監(jiān)測點，位于葉輪進口附近，具體位置如圖8所示。

圖8　蝸殼及葉輪進口附近監(jiān)測點布置Fig.8 Layout of monitoring points near the volute and inlet of impeller

2.5.2時域分析

選取最后一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)各監(jiān)測點的靜壓值進行對比分析，定義壓力脈動系數(shù)CP作為衡量壓力脈動強度的無量綱數(shù)，用來分析三種方案下的壓力脈動變化參數(shù)。

(4)

圖9　蝸殼內(nèi)壓力脈動時域圖Fig.9 Time domain diagram of pressure fluctuation in volute

圖9為蝸殼內(nèi)壓力脈動時域圖，本文選取點P5和P8進行分析。點P5和P8的波動形式相同，均有6個波峰和6個波谷，這與該離心泵葉輪的六個葉片相對應(yīng)，但點P8的壓力脈動系數(shù)整體都大于點P5，這是由于點P8更靠近蝸殼的隔舌，該點處流體的振動較大。對于點P5，方案一的壓力系數(shù)達到±0.03，方案二與方案三的壓力系數(shù)基本相同在±0.025左右，均小于方案一。對于點P8，方案一的壓力系數(shù)達到±0.04，方案二與方案三的壓力系數(shù)基本相同且均小于方案一，這與點P5的振動規(guī)律類似。綜合以上可以說明，在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片，可以減小離心泵蝸殼內(nèi)的振動，有利于提高離心泵的運行穩(wěn)定性。

圖10為葉輪進口處壓力脈動時域圖，由于點P10與P11距離葉輪進口較遠，壓力脈動不明顯，本文選取點P9進行分析。如圖所示，方案一的壓力系數(shù)最大，達到±0.02；方案二與方案三的壓力正系數(shù)相同，方案三的壓力負系數(shù)要略大于方案二，但兩種方案整體的壓力系數(shù)都小于方案一。說明在葉輪前蓋板處添加前置葉片可以減小回流對葉輪進口沖擊造成的振動，從而優(yōu)化離心泵葉輪進口條件。

圖10　葉輪進口壓力脈動時域圖(P9)Fig.10 Time domain diagram of pressure fluctuation at impeller inlet (P9)

3　結(jié)　論

(1)離心泵葉輪前蓋板處增置前置葉片后，揚程和效率在各個工況點下都有提高，揚程在小流量工況下提高的幅度比較明顯，提高的幅度最高達到了7%，效率提高的最大幅度為6%。

(2)方案一葉輪進口附近的渦量區(qū)域和葉輪內(nèi)部湍動能都是最大的，方案二和方案三較小，說明在葉輪前蓋板處增置前置葉片可以減小水力損失，提高水力效率。

(3)方案二與方案三相對于方案一口環(huán)處的泄漏量在各工況下都有所降低，且流量越大泄漏量降低的越多，降低幅度都在25%以上；而方案三口環(huán)處泄漏量的偏差隨著進口流量的增加而減小，且在大流量工況下泄漏量基本與方案一相同。

(4)方案二與方案三在蝸殼內(nèi)部及葉輪進口處的壓力脈動系數(shù)均小于方案一，說明在葉輪前蓋板處增置前置葉片可以提高離心泵的運行穩(wěn)定性，減小回流對葉輪進口沖擊造成的振動，從而優(yōu)化離心泵葉輪進口條件。

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