半高導葉對離心泵水力性能與壓力脈動強度影響數(shù)值模擬研究

付玉壯，鄧曉琴，陳小偉，江 偉

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

導葉是流體機械中重要的過流部件之一，其作用是使流體均勻的流向下一級葉輪入口或壓出室，能在一定程度上提高流體機械的運行穩(wěn)定性[1-3]。在單級離心泵中引入導葉，能夠一定程度上減小離心泵的徑向力，但也會使泵內(nèi)各過流部件流場之間的影響變的更復雜，尤其是使動靜干涉作用更復雜[4-7]，因此清晰的認識導葉如何影響離心泵的內(nèi)部流動是十分重要的。

近年來，研究人員對離心泵導葉時序位置、泵內(nèi)壓力脈動等方面的研究[8-10]大多采用數(shù)值模擬方法，結(jié)果表明：當導葉的時序位置不同時，會一定程度上影響離心泵的外特性，并且當導葉尾緣與隔舌相對位置為20°時，離心泵揚程和效率達到最大值；導葉的壓力脈動在導葉進口處最強。邵煜等[11]在對大流量高揚程導葉式離心泵進行優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)：當導葉入流角為α=16°時，泵的揚程和效率達到最大值86.05%；導葉葉片為6時揚程最高，水力損失最小，這是因為導葉葉片過多時會造成速度梯度的增大，易導致渦旋產(chǎn)生。周強等[12]采用模態(tài)節(jié)徑模式分析法，分析導葉進口同一半徑上三個測點的壓力脈動頻率成分，結(jié)果表明：靠近導葉葉片凹面處，壓力脈動主要是葉輪一倍、兩倍及三倍通過頻率；導葉流道中心處，壓力脈動主要是葉輪一倍、兩倍及四倍通過頻率；靠近導葉葉片凸面處，壓力脈動主要是葉輪一倍、兩倍、三倍、四倍及五倍通過頻率。唐建洲等[13]在研究多級離心泵導葉與葉輪軸向間隙對軸向力的影響時發(fā)現(xiàn)：當處于兩級葉輪之間的導葉不在對稱位置時，就會產(chǎn)生比較大的軸向力，主要是因為導葉更大間隙側(cè)，泵腔核心區(qū)旋渦擴大靜壓提高。

半高導葉是由日本學者正和星野首先提出。半高導葉即導葉與前蓋板之間留有間隙，而并沒有把流體進行完全的“分隔”。目前國內(nèi)對于離心泵中的間隙研究主要集中在葉頂間隙、口環(huán)間隙及平衡盤間隙對離心泵性能的影響規(guī)律。晁文雄等[14]在研究半開式復合葉輪離心泵葉輪軸向間隙不同時對離心泵性能的影響時發(fā)現(xiàn)：在大流量區(qū)，葉輪軸向間隙取0.8 mm時比間隙距離取更小的值時效率曲線更穩(wěn)定而且泵的效率高，這是因為葉輪軸向間隙較小時，流體的黏性作用大于壓差作用，使泵內(nèi)流動損失增加，效率下降。謝蓉等[15]將非全高導葉引入高比轉(zhuǎn)速混流泵，并通過數(shù)值模擬的計算方法，得出結(jié)果：大流量時，采用非全高導葉能夠提高混流泵效率，即將高效區(qū)向大流量方向拓寬；在非設(shè)計工況下，導葉和蓋板之間的間隙又為偏離葉片安裝角的流體提供了自由流動的空間，從而減少泵內(nèi)流動損失。Sari等[16]在研究位于吸氣管道內(nèi)軸向?qū)~高度對生物燃油壓縮點火式發(fā)動機性能影響時發(fā)現(xiàn)：當軸向?qū)~高度為0.7倍管道半徑時，能最大程度上改進發(fā)動機性能，此時發(fā)動機的燃油消耗率、一氧化碳和烴類氣體排放以及效率都達到最優(yōu)值。然而將半高導葉應(yīng)用于單級離心泵中的研究論文依然欠缺。

將半高導葉引入導葉式離心泵中，采用數(shù)值模擬的方法進行流場分析[17-18]，分析導葉葉高對離心泵外特性的影響，與實驗結(jié)果對比驗證數(shù)值模擬方法的準確性。重點分析導葉葉高對離心泵各過流部件壓力脈動及流動損失的影響。為導葉式離心泵的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 設(shè)計參數(shù)與湍流模型

離心泵設(shè)計參數(shù)：流量為40 m3/h、揚程為60 m、轉(zhuǎn)速為n=2 900 rpm。葉輪基本參數(shù)為：葉輪外徑D2=223 mm、葉片出口寬度為b2=8 mm、葉片數(shù)Z=6。導葉基本參數(shù)為：進出口直徑分別為228 mm和283 mm、葉片寬度b3=10 mm、葉片數(shù)Z=5。蝸殼基本參數(shù)為：基圓直徑D5=284 mm、進口寬度b4=19 mm。圖1為模型泵壓力脈動監(jiān)測點及半高導葉示意圖，其中導葉葉片寬度為H、導葉流道總寬度為b，P3與P4為蝸殼隔舌附近數(shù)值模擬與實驗壓力脈動監(jiān)測點，P1與P2為導葉進口附近數(shù)值模擬與實驗壓力脈動監(jiān)測點。半高導葉數(shù)值模擬方案如圖表1所示。

圖1 模型試驗泵

表1 導葉端面間隙數(shù)值與試驗方案

數(shù)值計算網(wǎng)格采用ICEM結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。半高導葉介于有葉與無葉導葉之間，故導葉葉高方向存在間隙，對其間隙區(qū)域網(wǎng)格采用邊界層處理。各流部件(葉輪、導葉、蝸殼)網(wǎng)格數(shù)分別為568 761、765 337、881 295，前后泵腔網(wǎng)格分別為421 802、448 013，如圖2所示。采用SSTk-ω湍流模型，邊界條件采用壓力進口、質(zhì)量流量出口、壁面無滑移。瞬態(tài)計算以穩(wěn)態(tài)計算為初始計算條件，葉輪每轉(zhuǎn)過1°為一時間步，其時間步長5.75×10-5，一個周期計算360步，共計算8個周期，取最后一周期進行流場分析。

圖2 計算域網(wǎng)格

2 實驗驗證

圖3為不同半高導葉葉高時離心泵外特性數(shù)值模擬與試驗對比。由圖可知，數(shù)值模擬與試驗值吻合較好，尤其在1.0Q/Qdes流量工況附近時，其揚程與效率誤差在5%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬在設(shè)計工況附近存在一定的準確性；在偏離設(shè)計工況時(0.6Q/Qdes、1.4Q/Qdes)，其誤差較大，主要原因是劇烈的湍流、回流及湍流模型在局部區(qū)域存在劇烈湍流評估等所導致。

圖3 不同導葉葉片高度時離心泵外特性數(shù)值模擬與試驗對比

3 數(shù)值結(jié)果分析

為分析離心泵各過流部件水力性能，對其相關(guān)水力系數(shù)進行定義：

(1)

(2)

(3)

(4)

葉輪做功無量綱系數(shù)：

(5)

(6)

式中:下標w，d，r分別表示蝸殼、導葉和葉輪；out表示相應(yīng)部件的出口；in代表進口；tp代表總壓；Mn為扭矩；u2為葉輪出口圓周速度；ρ為介質(zhì)密度；H為泵的設(shè)計揚程；Q為泵的有效流量；A2為葉輪出口流道面積。

圖4為不同導葉葉高時，各流量下，揚程及效率變化曲線。由揚程變化可知，當導葉葉高由h/b=0.4增大至0.8時，揚程輕微下降。當導葉葉高h/b在0.8至1.0時，揚程變化很大。在小流量下，揚程隨導葉葉高變化呈明顯上升趨勢，并且隨著流量減小，上升幅度增大；在設(shè)計流量下，揚程變化隨導葉葉高變化很??；在大流量下，揚程呈下降趨勢，并且隨著流量的增大，其下降趨勢增大。由效率曲線可知，在小流量下及設(shè)計流量下，當導葉葉高h/b在0.4～0.8變化時，其效率變化較小。當流量大于設(shè)計流量時，導葉葉高h/b為0.4～0.8范圍內(nèi)時，效率明顯呈下降趨勢，并且隨著流量的增大下降趨勢增強。當導葉葉高h/b在0.8～1.0變化時，效率變化顯著，在小流量下呈上升趨勢，在大流量下呈顯著的下降趨勢，并且隨著流量的增大下降趨勢增強。和普通葉片式導葉(h/b=1.0)相比，在小流量下，半高導葉減小了泵的揚程和效率，在大流量下增大了泵的揚程和效率，且半高導葉使泵的高效區(qū)向大流量下偏移。

圖4 不同導葉葉高時各流量下?lián)P程及效率變化曲線

圖5為不同導葉葉高時，不同流量下各部件總壓損失值和葉輪軸功率變化。由圖可知，不同導葉葉高對葉輪做功影響很小。結(jié)合前述揚程及效率變化可見，效率的變化趨勢與揚程相似的原因顯然是由于軸功率不變引起的。由葉輪進出口壓升圖φr可知，在小流量下葉高對葉輪進出口總壓升有一定的影響但影響較小，導葉葉高越大葉輪進出口壓升越小。由導葉總壓損失值φd變化可知，導葉葉高對導葉進出口總壓損失值影響較大。在流量較小時，半高導葉可以輕微減小導葉總壓損失。隨著流量的增大，葉高減小加重總壓損失。在大流量下半高導葉可以明顯減小導葉內(nèi)部總壓損失值，在1.4Qdes下最高可減小約25%。由蝸殼總壓損失曲線可見，減小導葉葉高可以明顯減小蝸殼內(nèi)總壓損失值，在1.4Qdes下最高可減小約28%。

圖5 不同導葉葉高時，各部件的總壓損失及葉輪做功時均曲線

為了計算整個旋轉(zhuǎn)周期上壓力脈動強度，定義以下的標準差為壓力脈動強度系數(shù)Csdv：

(7)

(8)

(9)

圖6、圖7、圖8分別給出了不同流量下，不同h/b時葉輪中截面壓力脈動強度分布。不同流量工況，不同h/b時，各個葉輪流道內(nèi)的脈動強度分布基本相同，呈現(xiàn)出較好的周期性；葉片壓力面的壓力脈動強度大于葉片吸力面，說明非定常動靜干涉作用對葉輪葉片壓力面的影響較大。在0.8Q/Qdes與1.0Q/Qdes流量工況下，隨著h/b減小，葉輪中截面壓力脈動強度在逐漸降低，且高壓區(qū)域壓力脈動逐漸向葉輪壓力面出口區(qū)域偏移，而1.2Q/Qdes流量工況下，隨著h/b增加，其壓力脈動強度在逐漸增強，其高區(qū)域脈動強度逐漸向葉輪出口流道中段偏移。

圖6 0.8Q/Qdes時不同h/b葉輪壓力脈動分布

圖7 1.0Q/Qdes時不同h/b葉輪壓力脈動分布

圖9給出了不同流量，不同h/b時葉輪葉片中截面壓力脈動強度分布。由圖可知，隨著流量增加，不同h/b時葉片脈動強度在逐漸減小，葉片壓力面脈動強度隨著徑向距離增加而先增后降，吸力面脈動強度呈線性增加，即從葉片進口至出口，葉片壓力面與吸力面脈動強度差值先增后降，說明導葉前緣對葉輪壓力面出口附近區(qū)域流場影響遠大于吸力面。當h/b=1.0時，葉片壓力面最大脈動位置隨著流量增加逐漸向葉片出口移動，而當h/b=0.3～0.8時，葉片壓力面最大脈動位置隨著流量增加而逐漸背向葉片出口，表明h/b=1.0時動靜干涉作用對葉片壓力面出口流場影響較大。在0.8Q/Qdes、1.0Q/Qdes流量工況下，h/b=1.0時葉片脈動強度遠大于h/b=0.3～0.8時脈動強度，而在1.2Q/Qdes流量工況時，葉片脈動強度小于h/b=0.3～0.8時脈動強度。

圖10、圖11、圖12分別給出了不同流量下，不同h/b時導葉中截面壓力脈動強度分布。由圖可知，不同流量工況下，導葉進口段脈動強度分布呈現(xiàn)出較好的周期性，但因蝸殼不對稱性幾何形狀影響，導葉出口段脈動強度周期性分布較差，靠近蝸殼隔舌或蝸殼較小過流斷面處導葉流道出口或進口區(qū)域脈動強度明顯高于其它相同區(qū)域；隨著流量增加，導葉中截面壓力脈動強度在逐漸增強。各流量工況，h/b=1.0時導葉脈動強度明顯大于h/b=0.0～0.8。

圖8 1.2Q/Qdes時不同h/b葉輪壓力脈動分布

圖9 不同流量不同h/b時葉輪葉片中截面壓力脈動強度分布

圖10 在0.8Q/Qdes流量工況不同h/b時導葉壓力脈動分布

圖11 1.0Q/Qdes流量工況不同h/b時導葉壓力脈動分布

圖12 1.2Q/Qdes流量工況不同h/b時導葉壓力脈動分布

圖13給出了不同流量，不同h/b時導葉葉片中截面壓力脈動強度分布。由圖可知，隨著導葉徑向距離增加，其動靜干涉作用影響逐漸減弱，從葉片前緣至尾緣，壓力脈動強度逐漸降低；隨著流量增加，導葉葉片前緣處壓力脈動強度逐漸增加，而遠離導葉前緣區(qū)域脈動強度隨流量增加而幾乎不變。各流量工況下，當h/b=1.0時，導葉葉片脈動強度遠高于其它h/b時脈動強度。在0.8Q/Qdes、1.0Q/Qdes流量工況，h/b=1.0時葉片壓力脈動分布類似，即從葉片前緣至尾緣，葉片吸力面脈動強度一直大于壓力面，在1.2Q/Qdes流量工況，導葉葉片前緣至r=127 mm時，壓力面與吸力面脈動強度幾乎相同，r=127 mm至出口時，吸力面脈動強度大于壓力面，且在各流量工況時，從葉片前緣至尾緣，壓力面脈動強度呈現(xiàn)線性下降，而吸力面脈動強度呈現(xiàn)不規(guī)則分布，說明導葉吸力面(尤其位于導葉進口附近)受葉輪尾緣影響較大，但h/b=0.3～0.8時，導葉葉片壓力面與吸力面脈動強度分布類似，即呈現(xiàn)出線性降低，由此可知，h/b=0.3～0.8可以較好的改善導葉受動靜干涉作用影響。

圖13 不同流量工況不同h/b時導葉葉片中截面壓力脈動強度分布

研究表明同一流量工況時，壓力脈動強度最大分布在蝸殼出口與隔舌附近，因此間接表明蝸殼出口與隔舌附近振動較大。隨著流量增加，各h/b時蝸殼內(nèi)壓力脈動強度在逐漸增加，尤其在蝸殼出口與隔舌附近脈動強度增加率最快，表明這些區(qū)域水力振動隨著流量增加而更劇烈。各流量工況，h/b=1.0時，蝸殼內(nèi)壓力脈動強度最大，說明蝸殼內(nèi)水力振動最劇烈；當h/b=0.3～0.8時，隨著導葉葉片與蓋板間隙逐漸減小，靠近蝸殼隔舌附近較小過流斷面處壓力脈動強度逐漸增加，其它蝸殼過流斷面處壓力脈動強度逐漸降低。各流量工況下，靠近導葉尾緣出現(xiàn)局部較低的脈動強度，隨著葉片與蓋板間隙減小，靠近導葉葉片尾緣出現(xiàn)局部較小的脈動現(xiàn)象更加明顯，由此可知，隨著間隙減小，蝸殼內(nèi)壓力脈動強度分布受動靜干涉作用影響更加明顯。

4 結(jié) 論

(1) 半高導葉對離心泵水力性能存在一定影響，尤其在小流量工況與大流量工況時，導葉葉高對離心泵揚程與效率影響較明顯。半高導葉能有效的擴大離心泵高效區(qū)，且使離心泵高效區(qū)向大流量偏移，提高離心泵揚程。

(2) 半高導葉對離心泵葉輪做功影響較小，各導葉葉高下，葉輪做功幾乎不變。導葉葉高對葉輪進口壓升存在一定影響，隨著導葉葉高增加，葉輪進口壓升越小。導葉葉高對導葉、蝸殼處總壓損失較大，隨著導葉葉高降低，其總壓損失亦降低。因此，半高導葉對離心泵水力性能影響主要原因在于影響導葉與蝸殼內(nèi)流場，對其葉輪內(nèi)流場影響較小。

(3) 隨著半高導葉葉高逐漸降低，各流量工況下，導葉與蝸殼內(nèi)壓力脈動強度逐漸降低，但葉輪內(nèi)壓力脈動強度分布較復雜，在0.8Q/Qdes、1.0Q/Qdes流量工況時，葉輪內(nèi)壓力脈動強度在逐漸降低，而在1.2Q/Qdes流量工況時，脈動強度在逐漸增強。