不同導(dǎo)葉高度對(duì)水泵性能影響研究

耿 博，劉德民，何海平，朱 強(qiáng)，李國鳳

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

近年來，水資源時(shí)空分布不均、水旱災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境嚴(yán)重污染以及水生態(tài)系統(tǒng)退化等問題日益突出，尤其是水資源時(shí)空分布不均以及水旱災(zāi)害頻發(fā)已升級(jí)為嚴(yán)重的社會(huì)問題[1]，為了保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，建立合理的水資源調(diào)配及高效利用體系迫在眉睫，大型立式離心泵功率較大能耗極高，尤其是在長距離調(diào)水及灌排工程中，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間長，因此不符合節(jié)能低碳的戰(zhàn)略目標(biāo)。此外，該類泵對(duì)性能指標(biāo)要求較高，運(yùn)行的工況范圍要求較廣[2-7]，由于該類泵水力部件較復(fù)雜且各部件間的匹配性不夠高，因此在多工況下的水力性能參數(shù)尚有較大提升空間，尤其是研究如何在設(shè)計(jì)工況下提升泵的水力效率將對(duì)節(jié)能低碳工作具有重要意義[8-14]。

作者在對(duì)某泵站開發(fā)過程中，進(jìn)行了不同導(dǎo)葉高度對(duì)水泵性能的影響研究，導(dǎo)葉高度為水泵設(shè)計(jì)中極為重要的一項(xiàng)參數(shù)，因此對(duì)其進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算物理模型

東方電機(jī)為水源泵站開發(fā)的物理模型包括4 部分：泵殼、固定導(dǎo)葉、葉輪、進(jìn)水管。針對(duì)不同固定導(dǎo)葉高度的研究，只需進(jìn)行導(dǎo)葉與葉輪之間的相關(guān)研究，所建物理模型如圖1 所示，導(dǎo)葉數(shù)量為13 個(gè)，葉輪數(shù)量為9 個(gè)。

圖1 研究對(duì)象物理模型

針對(duì)研究對(duì)象均具有周期性特點(diǎn)，在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用單流道方式對(duì)其進(jìn)行研究，所建計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 CFD 計(jì)算模型圖

1.2 湍流模型及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬計(jì)算需選取合適的湍流模型，湍流模型是使控制方程封閉可解的一組代數(shù)方程或微分方程。綜合考慮現(xiàn)有湍流模型的應(yīng)用情況和數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求，應(yīng)用比較多的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε、k-ω 和SST 模型。本文采用SST 模型，其對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)具有較準(zhǔn)確的分析計(jì)算模式。

邊界條件設(shè)置：

（1）出口邊界條件給定為相應(yīng)工況下的質(zhì)量流量；

（2）進(jìn)口邊界條件給定為平均靜壓為0；

（3）固壁設(shè)定為無滑移邊界；

（4）旋轉(zhuǎn)域（葉輪）與固定域（導(dǎo)葉以及進(jìn)水管）之間的交界面，在計(jì)算中采用Stage Interface 模型（也叫Mixing Plane 模型）。

2 設(shè)計(jì)方案及結(jié)果討論

2.1 設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)3 種導(dǎo)葉高度方案，以方案B 為基礎(chǔ)，A 方案導(dǎo)葉高度減小10 mm，C 方案導(dǎo)葉高度增加10 mm。

表1 導(dǎo)葉高度方案設(shè)計(jì)表

2.2 結(jié)果討論

通過CFD 計(jì)算，得到了不同導(dǎo)葉高度對(duì)泵效率的影響，從圖3 可以看出，隨導(dǎo)葉高度增加，最優(yōu)效率點(diǎn)向大流量進(jìn)行移動(dòng)，且小流量效率逐漸降低，大流量效率逐漸升高。

圖3 效率變化圖

圖4為流量揚(yáng)程曲線隨不同導(dǎo)葉高度變化情況，從圖中得到，隨著導(dǎo)葉高度增加，流量揚(yáng)程曲線的斜率逐漸變小，趨于平緩，且隨著導(dǎo)葉高度增加，駝峰性能在逐漸變差，駝峰低點(diǎn)掉的更深，駝峰出現(xiàn)的位置更早，箭頭指向位置為駝峰低點(diǎn)，曲率發(fā)生變化位置為駝峰開始出現(xiàn)位置，駝峰低點(diǎn)越低，曲率變化出現(xiàn)位置越早，駝峰性能越差。

圖4 揚(yáng)程變化圖

圖5為空化性能NPSH 曲線圖，從圖中得到，隨著導(dǎo)葉高度增加，整體空化性能變化較小，在大流量和小流量區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)差距，是由于揚(yáng)程-流量曲線變化引起的，NPSH=空化系數(shù)×揚(yáng)程；導(dǎo)葉高度越高，揚(yáng)程-流量曲線越平緩，泵站運(yùn)行所需范圍會(huì)越大，空化系數(shù)變大，相對(duì)空化性能會(huì)變差。

圖5 NPSH 變化圖

2.3 模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本文對(duì)于不同高度的導(dǎo)葉進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證，采用方案A 和方案C 進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明：導(dǎo)葉高度增加，最優(yōu)效率位置向大流量移動(dòng)，小流量效率會(huì)降低，大流量效率增加；流量-揚(yáng)程曲線斜率會(huì)變緩，駝峰深度會(huì)增加，駝峰位置會(huì)提前出現(xiàn)，對(duì)空化影響不大。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證圖

2.4 流場特征

圖7中列舉了3 種方案最優(yōu)工況葉片和導(dǎo)葉的壓力云圖、流線圖。從圖7 中得到，3 種方案壓力分布比較均勻，壓力梯度變化較為平緩，沒有出現(xiàn)極端壓力變化情況。

圖7 導(dǎo)葉及葉片壓力云圖

圖8為導(dǎo)葉及葉片流線圖，得到流體從進(jìn)口到出口，整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)較為平順，速度分布均勻、壓力分布均勻、變化梯度合理，沒有明顯的漩渦及脫流現(xiàn)象，流線與葉片貼合度較好。

圖8 導(dǎo)葉及葉片俯視流線圖

3 結(jié)論

本文通過CFD 和模型試驗(yàn)相結(jié)合技術(shù)手段對(duì)大泵不同導(dǎo)葉高度變化對(duì)其性能影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）隨導(dǎo)葉高度增加，大泵最優(yōu)效率位置向大流量移動(dòng)，小流量效率會(huì)降低，大流量效率增加。

（2）隨導(dǎo)葉高度增加，流量-揚(yáng)程曲線斜率會(huì)變緩，駝峰深度會(huì)增加，駝峰位置會(huì)提前出現(xiàn)。

（3）隨導(dǎo)葉高度增加，整體空化性能變化較小，由于揚(yáng)程-流量曲線變緩，泵站運(yùn)行所需范圍會(huì)變大，相對(duì)空化性能會(huì)變差。

（4）從速度場和壓力場分析，不同導(dǎo)葉高度對(duì)最優(yōu)工況流體流動(dòng)影響較小。