高低葉片對旋流泵性能影響的研究

王秀禮 朱榮生 俞志君 蘇保穩(wěn)

1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江，212013 2.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，泰州，225500

0 引言

旋流泵在其被開發(fā)出來后的較長一段時間內(nèi)并未引起人們的廣泛關(guān)注，隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了大量需要輸送固液兩相流的場合，旋流泵因其在輸送帶有較大顆粒和較長纖維流體時所表現(xiàn)出的過流能力與運(yùn)行穩(wěn)定性而日益受到人們的重視。旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特征是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內(nèi)，這使其在輸送含有固態(tài)顆粒的介質(zhì)時，水流進(jìn)入旋流泵葉輪之前在環(huán)形蝸殼中已將大部分顆粒從主流中分離出去，因而葉輪磨損小、使用壽命長。但由于存在循環(huán)流，存在很大的水力損失，因而旋流泵的效率較低，絕大多數(shù)泵效率低于60%，造成很大的能源浪費(fèi)[1－2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對旋流泵進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3-5]通過數(shù)值計(jì)算的方法模擬了旋流泵內(nèi)部流場，文獻(xiàn)[6-8]通過試驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流泵性能的影響。雖然上述研究工作得出了一些寶貴的結(jié)論，但由于旋流泵的內(nèi)部流動十分復(fù)雜，對其工作原理及能量轉(zhuǎn)換規(guī)律尚未完全研究清楚，且這些工作主要集中在對直葉片旋流泵進(jìn)行研究。從國內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)看，對具有彎曲葉片的旋流泵進(jìn)行研究的文獻(xiàn)還未見報道，因此，有必要對具有彎曲形葉片的旋流泵進(jìn)行研究。

1 問題的提出

目前，常規(guī)的旋流泵葉輪呈放射形狀，采用這種葉輪的旋流泵功率曲線隨流量的增大而無限上升，因此，這種葉輪只能保證旋流泵在很窄的流量范圍內(nèi)運(yùn)行，如果運(yùn)行工況超出泵的可運(yùn)行范圍，可能導(dǎo)致電動機(jī)燒毀。旋流泵的運(yùn)行工況千差萬別，泵的揚(yáng)程會出現(xiàn)較大的變化，導(dǎo)致旋流泵實(shí)際工況點(diǎn)在較大流量范圍內(nèi)移動。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在返修的工程潛水泵中，其故障約有70%是由過載引起的。電機(jī)因過載失效造成這類泵的可靠性較低，大大限制了旋流泵的使用范圍。這就要求我們設(shè)計(jì)的旋流泵具有平緩的功率曲線，能在大的流量范圍內(nèi)運(yùn)行而不出現(xiàn)過載。

以往解決此問題的主要途徑是加大功率備用系數(shù)，在旋流泵設(shè)計(jì)點(diǎn)的軸功率上乘以一個不小于1.4的系數(shù)作為選配電機(jī)的依據(jù)，這一系數(shù)顯然大于離心泵的對應(yīng)值1.1～1.2，造成投資增加和能源浪費(fèi)。

為了改善這種情況，選用彎曲的葉片。但如果葉片數(shù)太多，污物不易通過，易造成堵塞；若葉片太少效率又不高。本文正是在葉片數(shù)比較少的情況下，研究高低葉片對旋流泵性能的影響。

2 計(jì)算模型

2.1 潛水旋流泵基本參數(shù)

本文通過研究WQX50－9－2.2型潛水旋流泵（圖1）來探討高低葉片對旋流泵性能的影響。該潛水旋流泵基本參數(shù)為：流量Q＝50m3／h，揚(yáng)程H＝9m，轉(zhuǎn)速n＝1470r／min，葉輪直徑D2＝210mm，葉片寬度b＝40mm；環(huán)形蝸室內(nèi)部寬度為80mm，進(jìn)口直徑d1＝80mm，工作介質(zhì)為水。葉輪共6個葉片，有三種型式：①葉片等高（葉輪1）；②2個對稱分布的葉片比其余4個葉片高10%（葉輪2）；③3個葉片均勻分布比其余3個葉片高10%。葉輪螺母位置為中心點(diǎn)，出口方向?yàn)閄方向，進(jìn)口方向?yàn)閅方向，Z為垂直于X和Y的方向。

圖1 潛水旋流泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

數(shù)值計(jì)算中采用了三維定常雷諾時均Navier－Stokes方程和RNGk－ε方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型；泵進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件；采用動靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運(yùn)動問題，葉輪流道區(qū)域采取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為1470r／min，蝸殼流道區(qū)域采取靜止坐標(biāo)系[9]；采用SIMPLEC算法和二階迎風(fēng)格式離散差分方程進(jìn)行計(jì)算。

2.3 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

采用Pro／E軟件進(jìn)行三維造型，用Gambit軟件劃分網(wǎng)格，由于模型復(fù)雜，將其劃分為混合網(wǎng)格，計(jì)算模型共約100萬個網(wǎng)格單元，計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

2.4 基本假設(shè)與邊界條件

假定進(jìn)口速度軸向均勻分布且與進(jìn)口面垂直；湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，水力直徑為80mm；出口邊界設(shè)為自然出流；在固壁處采用無滑移邊界條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)。

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

采用Fluent軟件計(jì)算完成后，運(yùn)用Tecplot軟件對結(jié)果進(jìn)行必要的后處理，獲得的計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 軸面流線圖（Z＝0）

圖4 軸面總壓圖（Z＝0）（Pa）

圖5 總壓分布圖（Y＝0）（Pa）

由圖3可以看出，葉輪流道中存在非常明顯的回流和漩渦，原因在于，葉輪出口不是按照壓水室的中心對稱分布的[4]，它大約有50%的區(qū)域位于壓水室的斜面區(qū)域，因此該區(qū)域的水流先接觸到泵殼壁面而發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生回流，然后該回流又與剩余水體再次發(fā)生碰撞，從而使回流區(qū)域擴(kuò)大。

由圖3可發(fā)現(xiàn)，上下半平面內(nèi)葉輪出口位置存在明顯的漩渦。在上半平面：葉輪2的漩渦作用范圍最小，葉輪1的漩渦作用范圍最大，說明流動情況相當(dāng)復(fù)雜；葉輪2在葉片附近基本上沒有漩渦，但葉輪1和葉輪3在葉片附近有比較明顯的漩渦。在下半平面：葉輪2葉片間出現(xiàn)漩渦，而葉輪1和葉輪3葉片間沒有漩渦產(chǎn)生。旋流泵的水力損失主要是由于旋流泵內(nèi)部流動存在大量的回流與漩渦，從而導(dǎo)致能量耗散，降低了旋流泵的效率。

由圖4可以看出，對于不同的葉輪，旋流泵在同一半徑處沿周向的壓力分布不盡相同，在相應(yīng)位置，葉輪2的壓力最大，葉輪3的壓力最小；葉輪2低壓區(qū)范圍最小，葉輪3低壓區(qū)范圍最大；由于距離出口較近，上半平面相應(yīng)位置處的壓力大于下半平面相應(yīng)位置處的壓力。

由圖5可以看出，以葉輪中心點(diǎn)為圓心，向外擴(kuò)散成一個圓，在半徑較小的范圍內(nèi)壓力近似一個常數(shù)，這主要是因?yàn)樾鞅糜休^寬的無葉腔，進(jìn)出口存在壓差，從而產(chǎn)生回流；由于流動類似于自由渦以及流體與蝸殼的耦合作用，在半徑超過葉輪半徑之外的區(qū)域和蝸殼喉部區(qū)域的靜壓分布不規(guī)則。在腔體的同一位置，葉輪2的總壓最大，葉輪3的總壓最小。在擴(kuò)散段出口處，葉輪2的壓力最大，葉輪3的壓力最小，這表明，在相同流量下，葉輪2產(chǎn)生的揚(yáng)程最大。

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合流場分析，對潛水旋流泵內(nèi)部流動狀況進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：葉輪2的水力性能最好，不僅流線分布好，同時在相同位置產(chǎn)生的總壓也高。

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，制作了3個與模擬所用一致的葉輪進(jìn)行試驗(yàn)。潛水旋流泵性能試驗(yàn)是在具有B級精度的江蘇國泉泵業(yè)制造有限公司水泵開式實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行的，按照《潛水電泵實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示，試驗(yàn)從關(guān)死點(diǎn)開始一直測到額定流量的160%左右，相關(guān)測試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集。葉輪如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)結(jié)果見圖8：隨著葉片高度差的增大，軸功率曲線幾乎平行下移，且高度差越大，曲線下降幅度也越大。但揚(yáng)程與效率曲線存在一個最佳高度差值，當(dāng)高度差超過最佳范圍后，泵揚(yáng)程和效率開始下降。

圖7 葉輪2

圖8 高低葉片對性能的影響

在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，葉輪2的揚(yáng)程與效率最高，比葉輪1的揚(yáng)程高0.15m，效率高近3%。葉輪3的揚(yáng)程和軸功率都比葉輪1低，但其效率比葉輪1高。三種葉輪的軸功率曲線最后趨于平緩，基本達(dá)到無過載狀態(tài)。

具有高低葉片的葉輪改善了壓水室流動情況從而減小了水力損失，提高了渦流泵的揚(yáng)程和效率。對于潛水旋流泵，葉片高度差為10%左右時，水力性能比較好。

通過以上分析可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)情況基本一致，不僅驗(yàn)證了前人流動模型的正確性，也為后續(xù)的研究工作創(chuàng)造了一定條件，同時，可將數(shù)值模擬結(jié)果用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，有益于節(jié)省成本與縮短研發(fā)周期。

5 結(jié)論

（1）高低葉片能夠改善旋流泵壓水室流動情況，從而提高旋流泵的揚(yáng)程和效率。

（2）2個對稱分布的葉片比其余4個葉片高10%的葉輪水力性能較好，而等高葉片的葉輪的水力性能較差。

（3）旋流泵采用彎曲葉片能夠達(dá)到無過載的狀態(tài)。

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