葉片形式對(duì)旋流泵性能的影響

倪 雁，顧 磊，王 珺，李洪彬

（1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇常州 213022）

0 引言

近年來(lái)，旋流泵在河道清淤、工廠排污機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因其葉輪退縮在泵后腔中，與無(wú)葉腔之間形成一個(gè)非常寬敞的空間，在輸送河床垃圾、淤泥、含雜質(zhì)工業(yè)廢水等多相流介質(zhì)時(shí)可以發(fā)揮出旋流泵較高通過(guò)性的特點(diǎn)，從而不易發(fā)生堵塞。但需要注意的是，旋流泵的工作效率遠(yuǎn)低于其它傳統(tǒng)葉片泵，如離心泵、軸流泵、混流泵等［1］。

雖然旋流泵的應(yīng)用發(fā)展很快，但相較于其它泵而言起步較晚，該泵型的研究還不透徹。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從旋流泵結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響的角度做了大量的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)影響旋流泵性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括葉輪外徑、無(wú)葉腔寬度、葉片數(shù)、葉片寬度和葉片形式等［2-6］。從前人的研究成果來(lái)看，葉輪作為旋流泵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其葉片是影響泵揚(yáng)程和效率的重要因素，而目前對(duì)于葉片形式如何影響旋流泵揚(yáng)程、功率和效率等性能的研究較少。具體而言，選用哪種葉片形式能夠使旋流泵獲得較好的水力性能尚未定論［7-12］。因此，本文通過(guò)研究葉片形式的改變，了解每種葉片對(duì)旋流泵揚(yáng)程、軸功率和效率的影響，分析每種葉片形式對(duì)旋流泵內(nèi)部流場(chǎng)的壓強(qiáng)、速度及渦量分布的影響，可為提高旋流泵效率提供一些參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文以某一型號(hào)旋流泵為基本模型，模型泵主要性能參數(shù)為設(shè)計(jì)流量550 m3/h，揚(yáng)程29 m，額定轉(zhuǎn)速950 r/min。該泵型的主要過(guò)流部件有葉輪、漸開線式蝸殼、進(jìn)口和出口等，如圖1 所示。本文僅討論葉輪形式對(duì)旋流泵性能的影響，因此采用固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其具體數(shù)值見(jiàn)表1。同時(shí)，為規(guī)避進(jìn)出口管道長(zhǎng)度對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)造成的影響，在模型設(shè)置中適當(dāng)增加了進(jìn)出口管道長(zhǎng)度。通過(guò)探索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口管道長(zhǎng)度達(dá)到16 倍進(jìn)口直徑，出口管道長(zhǎng)度達(dá)到11 倍出口直徑時(shí)，計(jì)算結(jié)果不受泵進(jìn)出口管道長(zhǎng)度影響。

圖1 旋流泵結(jié)構(gòu)（以后彎式為例）Fig.1 Vortex pump structure (take the back-bent type as an example)

表1 旋流泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of vortex pump mm

考慮到旋流泵內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算域較為復(fù)雜，曲面繁多，采用ICEM 軟件對(duì)旋流泵的計(jì)算模型分塊劃分網(wǎng)格。如圖2 所示，將旋流泵計(jì)算模型劃分為4 個(gè)子域：葉輪流域、泵體流域、進(jìn)口加長(zhǎng)段流域和出口加長(zhǎng)段流域。對(duì)這4 個(gè)計(jì)算子域，均采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。蝸殼和葉輪壁面存在多個(gè)狹小復(fù)雜的曲面，這些曲面會(huì)影響網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量，如果處理不當(dāng)甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗，因而劃分前需要先將這些小而狹長(zhǎng)的曲面合并。同時(shí)，若直接對(duì)一些位置進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，則網(wǎng)格質(zhì)量無(wú)法保證，故對(duì)這些關(guān)鍵位置需先進(jìn)行面網(wǎng)格劃分再生成體網(wǎng)格。而且，葉輪是旋流泵對(duì)流體作用的關(guān)鍵部件，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)至關(guān)重要，蝸舌處曲面復(fù)雜，對(duì)流動(dòng)的影響較大。因此，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)蝸舌和葉片處進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密。ICEM 軟件的網(wǎng)格質(zhì)量分析表明，經(jīng)過(guò)上述處理后，網(wǎng)格整體質(zhì)量較好。此外，為了尋求網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，共探索了4 種不同數(shù)量的網(wǎng)格，在相同工況下進(jìn)行模擬計(jì)算，比較它們的揚(yáng)程和效率，當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果已幾乎無(wú)影響時(shí)，即為采用的網(wǎng)格數(shù)，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)［13］。最終確定網(wǎng)格總數(shù)約為290 萬(wàn)。

圖2 旋流泵網(wǎng)格劃分（以后彎式為例）Fig.2 Mesh generation for vortex pump (take the back-bent as an example)

本次研究采用成熟商業(yè)軟件FLUENT，通過(guò)研究旋流泵輸送清水時(shí)的流場(chǎng)性能，對(duì)不同葉輪形式進(jìn)行分析。盡管泵內(nèi)流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)周期性變化，但從比較性能的角度，完全可以采用定常流動(dòng)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行分析。因此，模擬計(jì)算的是不同葉輪形式下的定常流動(dòng)場(chǎng)。湍流模型為RNG k-ε模型，數(shù)值計(jì)算方法為SIMPLE 算法。進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口為自由出流。采用多重參考坐標(biāo)系，葉輪為轉(zhuǎn)子，其它部件為定子，將葉輪與無(wú)葉腔的交界面設(shè)置為interface。

關(guān)醒凡［3］的研究表明，R30-F30（R 表示與旋轉(zhuǎn)方向相反，F(xiàn) 表示與旋轉(zhuǎn)方向相同）雙向傾斜葉片的性能優(yōu)于其它傾斜葉片，是旋流泵優(yōu)先選用的葉片形式之一，所以本文選取了R30-F30 雙向傾斜葉片形式進(jìn)行研究。此外，還增加選擇了常規(guī)的直式、前彎式和后彎式這3 種葉片形式。葉片在葉輪底板上沿圓周方向均勻分布，前彎式和后彎式葉片包角均為60°。各葉片形式的簡(jiǎn)化示意如圖3 所示。

圖3 葉片形式簡(jiǎn)化示意Fig.3 Schematic diagram of blade types

2 模擬結(jié)果與分析

由于旋流泵通常在設(shè)計(jì)流量及轉(zhuǎn)速附近工作，故模擬時(shí)選擇在設(shè)計(jì)工況下對(duì)各葉片形式進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬結(jié)果后處理，提取旋流泵進(jìn)、出口斷面上的壓強(qiáng)值和葉輪軸上的扭矩值，并結(jié)合設(shè)定的泵進(jìn)出口高差、流量和轉(zhuǎn)速，即可計(jì)算出旋流泵的揚(yáng)程、功率和效率等性能參數(shù)。不同葉片形式下旋流泵的性能參數(shù)見(jiàn)表2?？梢钥吹?，從揚(yáng)程與軸功率來(lái)看，前彎葉片旋流泵最高，而后彎葉片旋流泵最低，這與普通離心泵的規(guī)律在定性上保持一致。但是，與普通離心泵不同的是，后彎葉片旋流泵的效率明顯低于其它3 種葉片形式，如與效率最高的直葉片旋流泵相比，其效率低了8.4%。在4 種葉片形式中，直葉片的效率高達(dá)62.54%，這在旋流泵中屬于較高效率值。就揚(yáng)程而言，直葉片僅次于前彎葉片，其揚(yáng)程只比前彎葉片低3.4%。綜合旋流泵的效率與揚(yáng)程兩方面可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)工況下，輸送清水采用直葉片性能更優(yōu)。

表2 不同葉片形式下旋流泵的性能參數(shù)比較Tab.2 Comparison of performance parameters of vortex pumps for different blade types

為更為全面地比較各葉片的性能，在設(shè)計(jì)工況附近改變流量，將各葉片形式下的外特征曲線繪制在圖4 中。從圖可以看到，各葉片形式的性能參數(shù)比較結(jié)果與上述設(shè)計(jì)工況點(diǎn)基本相同。

圖4 各葉片形式下的外特性參數(shù)曲線比較Fig.4 Comparison of external characteristic parameter curves for different blade types

為探尋產(chǎn)生上述規(guī)律的內(nèi)因，從數(shù)值模擬結(jié)果中提取各截面的流場(chǎng)信息，最具代表性的當(dāng)屬如圖5 所示的4 個(gè)典型截面。其中，無(wú)葉腔是旋流泵內(nèi)流體流經(jīng)的主要區(qū)域，代表主要流動(dòng)區(qū)域，選擇其半寬處截面（截面1）作為主流區(qū)域的代表截面。流體的能量增加來(lái)源于葉片，其直接作用區(qū)域在泵葉腔，選擇泵葉腔半寬處截面（截面2）分析葉片對(duì)水流的作用。此外還選擇了2 個(gè)截面（截面3 和截面4）以分析流場(chǎng)中的漩渦損失，其中截面3 是由泵葉腔向無(wú)葉腔過(guò)渡的代表區(qū)域，截面4 則為軸剖面，是旋流泵軸向流場(chǎng)的代表截面。

圖5 截面選取示意Fig.5 Schematic diagram for the chosen cross-sections

不同葉片形式的流量與進(jìn)、出口高度差相同，揚(yáng)程的差別主要來(lái)源于進(jìn)出口壓強(qiáng)差。圖6 提取了主流區(qū)域代表截面1 的壓強(qiáng)、速度和渦量分布。由圖6（a）可以看到，不同葉片形式下該截面所反映的壓強(qiáng)變化規(guī)律基本相似：中心區(qū)域壓強(qiáng)低，均為負(fù)壓，隨著流動(dòng)區(qū)域半徑增大以及接近出口，壓強(qiáng)逐漸增大，在出口處達(dá)到最高，這與大多離心式葉輪的工作狀況相同。

不同之處在于，各形式葉片所產(chǎn)生的入口負(fù)壓和出口壓強(qiáng)的高低。如圖6（a）所示，雙向傾斜葉片的入口負(fù)壓值最高，可見(jiàn)采用雙向傾斜葉片不利于流體的吸入，如果將雙向傾斜葉片旋流泵應(yīng)用于清淤工程中輸送泥沙，則其吸入負(fù)壓不足的特點(diǎn)會(huì)制約施工產(chǎn)量。而其它3 種葉片的入口真空度均較高，其數(shù)值排序?yàn)椋汉髲澣~片＜直葉片＜前彎葉片，前彎式部分區(qū)域真空度已達(dá)飽和壓強(qiáng)，使用時(shí)應(yīng)注意避免發(fā)生汽蝕。而在出口處，后彎葉片的流體壓強(qiáng)遠(yuǎn)低于其它3 種葉片形式，可見(jiàn)流體經(jīng)后彎葉片獲得的能量最少。

圖6 不同葉片形式下截面1 計(jì)算結(jié)果比較Fig.6 Comparison of calculation results of cross-section 1 for different blade types

旋流泵與普通離心式泵的區(qū)別在于，葉輪后縮于泵葉腔內(nèi)，并非對(duì)無(wú)葉腔內(nèi)主流流體直接做功，而是通過(guò)提高泵葉腔內(nèi)流體速度，與主流區(qū)域流體產(chǎn)生速度梯度，在流體黏性作用下產(chǎn)生切應(yīng)力，從而帶動(dòng)主流流體旋轉(zhuǎn)，將離心力做功轉(zhuǎn)化為流體能量。從圖6（b）所示的速度分布可以看到，無(wú)葉腔內(nèi)流體獲得了動(dòng)能，并且隨著半徑增加4種葉型的動(dòng)能有所提高，后彎式葉片的速度明顯低于其它3 種葉型，說(shuō)明其內(nèi)流體獲得能量最小。前彎式葉片的最大速度值最高，高速區(qū)域范圍更大，這也是前彎式葉片揚(yáng)程最高的原因。

無(wú)葉腔內(nèi)的渦量分布如圖6（c）所示，4 種葉片形式在該截面的渦量強(qiáng)度總體均不高，只在個(gè)別局部區(qū)域有較大渦量。在無(wú)葉腔內(nèi)的葉片與流體并不直接作用，剪切作用是該截面流體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)存在過(guò)高剪切變形情況，除非在蝸舌附近或漩渦沿軸向由泵葉腔擴(kuò)展至該截面，才會(huì)產(chǎn)生較高強(qiáng)度漩渦，所以這些區(qū)域渦量較高。4種葉片形式相比，后彎式葉片渦量最小，直葉片的渦量最大。

不同葉片形式所帶來(lái)變化的關(guān)鍵在于，泵葉腔內(nèi)流體所獲得的速度增量有所不同。為此，以泵葉腔軸向中間截面2 處為代表，提取不同葉片形式在該截面上的流速分布并進(jìn)行比較，如圖7所示。流體在泵葉腔內(nèi)沿徑向逐漸加速，最高速度達(dá)到30 m/s 左右，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角速度與半徑乘積計(jì)算得到的圓周速度可知，該區(qū)域圓周方向分量占據(jù)主導(dǎo)地位。不同葉片形式下獲得高速流體的占比存在差別，其中前彎葉片最高，后彎葉片最低，直葉片與雙向傾斜葉片介于兩者之間。這意味著流體從前彎葉片獲得了更多的速度增量，與無(wú)葉腔內(nèi)流體的速度差別更大，所引起無(wú)葉腔內(nèi)主流流體能量的提高就更多。這正是前彎葉片揚(yáng)程最高、后彎葉片揚(yáng)程最低的主要原因。另一方面，流體能量的提高來(lái)源于葉片在泵葉腔內(nèi)的做功，流體獲得能量的高低也間接反映了葉片的做功功率，所以表2 中前彎式葉片的軸功率最高，而后彎葉片軸功率最低。

圖7 不同葉片形式下截面2 速度分布比較Fig.7 Comparison of velocity distributions of cross-section 2 for different blade types

葉片做功并非完全轉(zhuǎn)化為旋流泵出口的流體能量，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中還存在損失，這反映在旋流泵效率這一外特性參數(shù)上，而損失的區(qū)域也可通過(guò)流場(chǎng)信息獲得。如圖8（a）所示，可通過(guò)提取軸向截面4 的渦量分析出發(fā)生損失的主要區(qū)域。漩渦主要出現(xiàn)在入口和泵葉腔內(nèi)部及附近，入口漩渦主要源自流動(dòng)截面的突然擴(kuò)大和方向的急劇改變，泵葉腔內(nèi)部漩渦則由葉片與流體的相互作用產(chǎn)生，這與普通離心式泵基本相同。

而不同的是，旋流泵渦量最大區(qū)域發(fā)生在泵葉腔向無(wú)葉腔過(guò)渡處。為此，提取泵葉腔向無(wú)葉腔過(guò)渡截面3 處的渦量分布，如圖8（b）所示。圖中，過(guò)渡截面上葉片區(qū)域的渦量強(qiáng)度較高，最高值出現(xiàn)在葉片附近。如前文所述，旋流泵的工作原理就是葉片運(yùn)動(dòng)改變泵葉腔流體運(yùn)動(dòng)、泵葉腔流體運(yùn)動(dòng)再改變無(wú)葉腔內(nèi)主流流體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，而流體運(yùn)動(dòng)具有慣性，在這一流動(dòng)改變過(guò)程中必然產(chǎn)生漩渦。在過(guò)渡截面靠近葉片處，存在著2種運(yùn)動(dòng)改變的過(guò)程，故渦量會(huì)達(dá)到最大。

此外，圖8（a）中還發(fā)現(xiàn)漩渦會(huì)從泵葉腔向無(wú)葉腔延伸，與圖6（c）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這種漩渦的延伸正是造成圖6（c）中渦量的主要原因。這是由泵葉腔的后縮結(jié)構(gòu)引起的，葉輪外徑處緊靠泵葉腔的圓周壁面，流體需由泵葉腔流到無(wú)葉腔之后才能隨主流流出，在這一過(guò)程中同樣出現(xiàn)了流動(dòng)方向的急劇改變，且這部分流體經(jīng)葉輪做功而具有較高能量，故湍動(dòng)加劇，產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦，并隨流體向無(wú)葉腔發(fā)展。

圖8 不同葉片形式下渦量分布比較Fig.8 Comparison of vortices distribution for different blade types

比較不同葉片下2 個(gè)代表截面所反映的渦量分布可以看到，無(wú)論是漩渦的總體強(qiáng)度，還是高強(qiáng)度漩渦的分布區(qū)域占比，后彎葉片均高于其它3種葉片形式，這就是表2 中后彎葉片效率最低的原因。該結(jié)論與普通離心式泵的規(guī)律截然相反，可能與葉片出口流體無(wú)法順利流出泵體有關(guān)，具體原因尚待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某一類型旋流泵內(nèi)清水流場(chǎng)的數(shù)值模擬，獲得了4 種不同葉輪形式下旋流泵的揚(yáng)程、功率和效率，并提取了其內(nèi)部壓強(qiáng)、速度和渦量，分析葉片形式對(duì)泵性能的影響及其原因。結(jié)果表明，旋流泵的葉片在泵葉腔內(nèi)直接對(duì)流體做功，使其獲得動(dòng)能后旋轉(zhuǎn)，并在黏性作用下帶動(dòng)無(wú)葉腔內(nèi)主流流體旋轉(zhuǎn)獲得靜壓能。漩渦主要發(fā)生在泵葉腔內(nèi)部及其向無(wú)葉腔過(guò)渡區(qū)域，還會(huì)向無(wú)葉腔內(nèi)延伸。本文所設(shè)計(jì)的旋流泵輸送清水時(shí)，采用直葉片可以獲得最高效率，而流體通過(guò)后彎葉片獲得能量較少，并且由于在泵葉腔和無(wú)葉腔內(nèi)流體能量交換時(shí)損失了過(guò)多能量，導(dǎo)致后彎葉片旋流泵的揚(yáng)程、功率和效率均為最低。本文研究可以為旋流泵的葉片設(shè)計(jì)提供參考。