葉片缺陷對水力性能的影響研究

摘 要：為了研究葉片制造缺陷對水力模型性能的影響規律，文章采用三維湍流數值計算方法對含缺陷的葉片的水力性能進行了仿真分析，并與無缺陷的葉片進行了對比，得到了葉片在有無缺陷兩種條件下的內部壓力場和速度場。對比結果表明：葉片外緣進口頭部的初始缺陷會造成葉輪揚程的下降，缺陷局部流場分布良好，不會影響葉輪的穩定性。

關鍵詞：葉片缺陷；CFD；揚程

背景

我公司的一件產品葉輪在半精加工后由于機床設置刀具補償參數有誤，銑刀將一片葉片邊緣處加工成斜角，精加工無法去除。CFD方法已經廣泛應用于水力旋轉機械的開發中，因此為了探討葉片缺陷對水力模型的影響規律，本文做了葉片缺陷對水力性能影響的研究。

1 物理模型

此葉輪為軸流式葉輪，葉片數為5個，外徑763mm，葉輪采用整體鍛件加工，缺陷位于葉片外緣進口處頭部。設計點參數轉速1490r/min，流量16800m3/h，揚程60m。

2 數值計算建模

2.1 流動控制方程

本文以水為模擬介質，不考慮傳熱，對于此不可壓縮定常流動， 雷諾時均的Navier-Stokes方程如下：

（1）

（2）

其中雷諾應力采用旋流修正的RNG k-？著模型，其控制方程為：

（3）

（4）

式中的湍流生成項及平均應變率張量與標準？資-？著模型有所差別，為：

且有

通常

2.2 網格劃分與計算求解

本文選擇單流道三維模型，幾何模型如圖1所示。其中葉片缺陷部位的網格如圖2所示，計算求解采用ANSYS CFX 13.0流體計算軟件，先后對有缺陷葉片以及無缺陷葉片進行了流場模擬，計算殘差為1e-5。

3 結果分析和討論

3.1 宏觀水力性能的對比

葉輪整體有缺陷葉輪揚程約為81.42m，無缺陷葉輪揚程約為82.03m。葉輪共有5個葉片，其中一個葉片有缺陷，因此近似有缺陷葉輪揚程為（4×82.03+81.42）/5=81.908。整體葉輪揚程下降為82.03-81.908=0.122m，約占0.15%。

3.2 內部流場分析

為了分析缺陷對內部流場分布的影響，計算得到了葉片頭部的壓力場，見圖3。從圖3可以看出，缺陷的存在會使負壓面的壓力增大，其效果與誘導輪中一般采用的較尖的進口邊類似，會改善泵的氣蝕性能。從速度場看，缺陷不會引起流動的分離，因此不會引起流動的不穩定。

為了分析缺陷對S1流面上流動的影響，在缺陷對應的空間位置處截取s流面，觀察葉片頭部壓力分布如圖4所示。可以看出缺陷對葉輪頭部周圍的壓力分布的影響比較大，葉輪沒有缺陷時，葉輪在零沖角的條件下壓力分布對稱分布，而缺陷會使得葉片工作面的局部低壓區后移，因此有利于氣蝕性能的改善。

4 結束語

本文對葉片存在缺陷條件下葉輪的水力性能進行了分析，得到了以下結論：

（1）缺陷會造成葉輪揚程的下降，下降值為0.15%，主要原因為缺陷在局部改變了流動的角度。

（2）缺陷有利于葉輪氣蝕性能的改進，不會引起脫流，不會引起流動的不穩定性。

參考文獻

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