縫隙引流葉片對低比轉速離心泵性能的影響

李隨波， 魏培茹， 陳紅勛

(1.上海大學上海市應用數學和力學研究所，上海200072;2.上海東方泵業(集團)有限公司，上海201906)

低比轉速離心泵具有流量小、揚程高的特點，并廣泛應用于石油、化工、航空航天、制藥、冶金及輕工業等領域.但是，低比轉速離心泵因其直徑大、寬度小以及流道擴散嚴重等原因，導致其效率偏低且很難改善.近年來，學者們進行了大量的研究，提出了幾種改進低比轉速離心泵的設計方法，主要包括加大流量設計法、無過載設計法、面積比設計法、分流葉片(又稱短葉片或輔助葉片)設計法等［1-4］，其中分流葉片設計法是一種綜合考慮設計工況和流道幾何形狀及其工藝性的優化設計方法，它通過在兩相鄰長葉片中間設置短葉片，改善了葉輪內流速和壓力分布，提高了泵的性能［5］.

近年來，學者們對帶分流葉片的離心泵進行了大量的研究工作［6-12］，研究方法主要包括數值分析、實驗驗證、多方案的正交實驗，總結了分流葉片的長短、形狀及安裝位置等對泵性能的影響.Miyamoto等［13］通過實驗認為，帶分流葉片的葉輪與一般葉輪相比，其葉片載荷較小，絕對圓周速度和總壓較大.Yuan［14］提出，分流葉片是解決低比轉速離心泵三大問題(效率低、揚程曲線易出現駝峰、易過載)最有效的方式之一，并且給出了分流葉片的相對幾何尺寸.Kergourlay等［15］利用非定常的計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)技術研究了泵內流場和動態特性，并通過壓力傳感器測量其壓力脈動，考察了分流葉片對離心泵性能的影響.研究結果表明，添加分流葉片可使葉輪的周向速度和壓力變得比較均勻，有利于改善振動和輻射噪聲水平，但對泵性能的影響有好有壞.

低比轉速離心泵葉輪內部的流場結構復雜，泵內流動存在著沖擊、流動分離、汽蝕、二次流等流動現象，包括離心葉輪進口的回流、葉輪流道內的二次流、葉輪流道內的射流-尾跡結構與流動分離.這些因素一方面影響了低比轉速離心泵的流場分布，另一方面又消耗了大量的能量，致使揚程和效率下降［16-17］.Pedersen等［18］和張偉等［19］分別從實驗和數值模擬的角度，對低比轉速離心泵設計和非設計工況的葉輪內部流場進行了研究，證實了在非設計工況下，葉輪內部存在“交替失速”這一特殊的流動現象.

Chen等［20］認為，低比轉速離心泵內部存在著較大的旋渦，消耗著能量，同時也堵塞了流道，是導致低比轉速離心泵效率低的主要原因.葉輪內的旋渦主要是由邊界層分離所引起的，Chen等提出了以控制邊界層分離為目的的流動控制技術，即縫隙引流技術，并研制了兩種新型的離心泵葉片結構，即溝槽引流葉片和縫隙引流葉片.通過一系列的實驗，發現新型葉輪能顯著提高低比轉速離心泵在全工況范圍內的效率，擴大泵的運行范圍，且縫隙引流葉片對低比轉速離心泵的性能改善最為明顯.

本研究基于Chen等的工作展開，選取縫隙引流的流動控制技術來改善低比轉速離心泵的性能.文獻［20］已將縫隙引流技術成功地應用于低比轉速離心泵的圓柱葉片上.由于扭曲葉片在低比轉速離心泵中應用較多，因此，本研究將該項技術應用到扭曲葉片上，設計了3種不同比轉速離心泵的常規葉片和縫隙引流葉片.這3種模型泵的比轉速ns分別為33，46和66(該比轉速是指設計工況點的比轉速).為了減小模型誤差和實驗相對誤差，便于準確分析比較，采用快速成型技術將所有設計的葉輪進行精密鑄造，并將同一比轉速的葉輪在同一蝸殼內進行實驗.本研究主要分析了縫隙引流技術應用在空間扭曲葉片上的情況，以及縫隙引流葉片對不同比轉速離心泵性能的影響，并初步探究了縫隙引流葉片幾何參數對泵性能的影響.

1 縫隙引流葉片

1.1 物理模型

通過快速成型技術制作了3種比轉速ns分別為33，46和66的離心泵的常規葉輪和縫隙引流葉輪，其中比轉速ns為33的葉輪設計了2種常規葉輪，標號分別為ns33_0和ns33_3，與其對應的2種縫隙引流葉輪的標號分別為ns33_0_1和ns33_3_2;比轉速ns為46的葉輪設計了一種常規葉輪，標號為ns46_1，與其對應的2種縫隙引流葉輪的標號分別為ns46_1_1和ns46_1_2;比轉速ns為66的葉輪設計了一種常規葉輪，標號為ns66_3，與其對應的2種縫隙引流葉輪的標號分別為ns66_3_2和ns66_3_7.

縫隙引流葉片葉輪的結構如圖1所示，包括引流葉片和主葉片.引流葉片和主葉片與常規設計葉片的幾何表達方法相同，可用進口安放角、出口安放角、進口直徑、出口直徑以及包角等來表示其幾何形狀.引流葉片與主葉片的相對位置用縫隙表示，而重疊度的大小則可由主葉片入口所在軸面上的半徑與引流葉片在該軸面上的半徑來反映.不同比轉速泵的縫隙引流葉片的參數對比如表1所示，其中引流葉片進口安放角的大小是與其對應的常規葉片進口安放角的比較結果;引流葉片包角、引流葉片與主葉片重疊度和縫隙3欄的大中小是與其他不同縫隙引流葉片的比較結果.

不同比轉速泵常規葉片的設計參數如表2所示，其中Q為流量，H為揚程，n為轉速，Ds為泵吸入口直徑，Dd為泵排出口直徑.

圖1 縫隙引流葉片結構圖Fig.1 Structure diagram of gap drainage blades

表1 縫隙引流葉片參數對比Table 1 Comparison parameters of gap drainage blades

表2 常規葉片泵的設計參數Table 2 Parameters designed of conventional blades pump

1.2 實驗研究

外特性實驗在上海大學葉輪機械實驗室離心泵閉式試驗臺上完成，通過對該試驗臺的精度分析和誤差估算，得出該試驗臺測量系統是穩定的，測試精度滿足ISO 9906—1999和GB/T 3216—2005 B級的精度規定.

分別對3種不同低比轉速離心泵的常規葉輪和縫隙引流葉輪進行多工況點外特性實驗，其中流量值由電磁流量計測出，流量的變化由電動閥的開度大小控制，軸功率和轉速由轉矩轉速儀測出，進出口壓力值由高精度壓力傳感器測出.對實驗數據進行處理，并通過相似定律，將揚程、效率和軸功率值換算到額定轉速(n=1 450 r/min)，得到了3種不同低比轉速離心泵常規葉輪和縫隙引流葉輪的實驗結果，并對實驗結果分析如下.

(1)對比轉速ns為33的離心泵的性能影響.

圖2～圖5為ns33_0和ns33_3 2種離心泵的性能曲線及其對應的比轉速-效率曲線.可以看出，采用縫隙引流技術的2種模型泵的性能均得到了不同程度的改善，Q-η曲線大幅提升，Q-H曲線趨于平坦且整體上移，運行范圍擴大.ns33_0_1較ns33_3_2性能提高得更明顯，說明在縫隙相差不多時，縫隙引流葉片包角越小以及主葉片重疊度越大，對泵性能的改善越明顯.實驗同時證實了縫隙引流技術可以改善空間扭曲葉片葉輪的性能.

圖2 泵性能曲線(ns33_0_1/ns33_0)Fig.2 Performance curves of centrifugal pump (ns33_0_1/ns33_0)

圖3 比轉速-效率對比曲線(ns33_0_1/ns33_0)Fig.3 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns33_0_1/ns33_0)

(2)對比轉速ns為46的離心泵的性能影響.

圖6～圖7為比轉速ns為46的常規葉輪和2種縫隙引流葉輪的泵性能曲線和比轉速-效率曲線.可以看出，縫隙引流葉輪ns46_1_2在大流量區提升了泵的性能，而ns46_1_1在全工況范圍內明顯提升了泵的性能.這說明在引流葉片進口安放角和包角相同的情況下，當引流葉片與主葉片的重疊度和縫隙較小時，可更加有效地改善泵的全工況性能.該實驗進一步證實了縫隙引流技術對扭曲葉片葉輪性能具有改善作用.

圖4 泵性能曲線(ns33_3_2/ns33_3)Fig.4 Performance curves of centrifugal pump (ns33_3_2/ns33_3)

圖5 比轉速-效率對比曲線(ns33_3_2/ns33_3)Fig.5 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns33_3_2/ns33_3)

圖6 泵性能曲線(ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)Fig.6 Performance curves of centrifugal pump (ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)

圖7 比轉速-效率對比曲線(ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)Fig.7 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)

(3)對比轉速ns為66的離心泵的性能影響.

圖8～圖9為比轉速ns為66的常規葉輪和2種縫隙引流葉輪的泵性能曲線和比轉速-效率曲線.可以看出，縫隙引流葉片使得Q-H，Q-η曲線在小流量區有所提升.由圖9可見，ns66_3_2和ns66_3_7在比轉速ns為20～70的范圍內較常規葉片泵的性能有所改善，且在該區域內ns66_3_7較ns66_3_2的效率提高更大.實驗表明，在該比轉速下，當引流葉片進口安放角加大、葉片包角和重疊度較小時，縫隙引流葉片在小流量區對泵的性能改善明顯.該實驗結果也說明，縫隙引流技術對不同比轉速離心泵的性能影響是不同的.

圖8 泵性能曲線(ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)Fig.8 Performance curves of centrifugal pump (ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)

2 結論

本研究通過對3種不同比轉速扭曲葉片的常規葉輪和縫隙引流葉輪的實驗分析，得到以下結論.

圖9 比轉速-效率對比曲線(ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)Fig.9 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)

(1)縫隙引流技術可有效改善空間扭曲葉片葉輪的性能.

(2)標號為ns33_0，ns33_3和ns46_1的常規葉輪采用縫隙引流技術后，在全工況范圍內實現了性能的提高，且縫隙引流葉輪ns33_0_1的性能改善效果更明顯.常規葉輪ns66_3采用縫隙引流技術后，其性能在比轉速ns為20～70的范圍內得到了較好的改善.因此，縫隙引流技術對不同比轉速離心泵性能的影響程度和影響區域是不同的，設計點比轉速越低，該技術對性能的提高越明顯.

(3)從縫隙引流葉片的幾何參數上看，當縫隙引流葉片的包角和縫隙較小時，對性能的改善是有利的.

(4)要更好地發揮縫隙引流技術改善泵性能的作用，還需進一步研究縫隙引流葉輪內部的流動機理，以及內部流動與葉片幾何參數之間的關系.

［1］ 袁壽其.低比速離心泵理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［2］ 張金鳳.帶分流葉片離心泵全流場數值預報和設計方法研究［D］.鎮江：江蘇大學，2008.

［3］ 嚴敬，楊小林.低比轉速泵葉輪水力設計方法綜述［J］.排灌機械工程學報，2003，21(3)：6-9.

［4］ 戴正元，李龍.低比轉速離心泵設計理論現狀及發展［J］.水泵技術，2002(2)：3-7.

［5］ 袁壽其，張玉臻.離心泵分流葉片偏置設計的試驗研究［J］.農業機械學報，1995，26(4)：79-83.

［6］ 徐偉幸，袁壽其.低比速離心泵葉輪優化設計進展［J］.流體機械，2006，34(2)：39-42.

［7］ 黎義斌，張德勝，趙偉國，等.葉片數及分流葉片位置對離心泵性能的影響［J］.蘭州理工大學學報，2008，34(2)：45-48.

［8］ 崔寶玲，朱祖超，陳鷹，等.長中短葉片離心葉輪內部流動的數值模擬［J］.推進技術，2006，27(3)：243-247.

［9］ 耿少娟，聶超群，黃偉光，等.不同葉輪形式下離心泵整機非定常流場的數值研究［J］.機械工程學報，2006，42(5)：27-31.

［10］ 陳松山，周正富，葛強，等.長短葉片離心泵正交試驗研究［J］.揚州大學學報：自然科學版，2005，8(4)：45-48.

［11］ 袁建平，李淑娟，付躍登.用正交試驗研究分流葉片對離心泵性能的影響［J］.排灌機械工程學報，2009，27 (5)：306-309

［12］ 任乃飛，江杰，顧佳方，等.基于RE/CFD帶分流葉片離心泵葉輪快速開發［J］.排灌機械工程學報，2010，28(1)：18-21.

［13］ MIYAMOTOH，NAKASHIMAY，YASUNAGAY，et al.Study on flow of centrifugal impeller［J］.Trans Japan Soc Mech Eng B，1989，55(518)：3108.

［14］ YUANS.Advances in hydraulic design of centrifugal pumps［C］ ∥ ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting.1997：1-15.

［15］ KERGOURLAYG，YOUNSIM，BAKIRF，et al.Influence of splitter blades on the flow field of a centrifugal pump：test-analysis comparison［J］.International Journal of Rotating Machinery，2007.doi：10.1155/2007/85024.

［16］ 朱祖超.低比轉速高速離心泵的理論及設計應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［17］ 沈天耀.離心葉輪的內流理論基礎［M］.杭州：浙江大學出版社，1987.

［18］ PEDERSENN，LARSENP S，JACOBSENC B.Flow in a centrifugal pump impelleratdesign and off-design conditions—PartⅠ：particle image velocimetry(PIV) and laser doppler velocimetry(LDV) measurements［J］.Journal of Fluids Engineering，2003，125(1)：61-72.

［19］ 張偉，余運超，陳紅勛.離心泵葉輪非設計工況下內部湍流流場的模擬［J］.排灌機械工程學報，2010，28 (1)：38-42.

［20］ CHENH，LIUW，JIANW，et al.Impellers of low specific speed centrifugal pump based on the draughting technology［C］∥ 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems.2010：1-7.