新型射流式噴灌自吸泵的水力設計與數值模擬*

周英環，劉建瑞，王　增

(1.北京科技職業學院，北京 102206；2.江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013；3.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

?

新型射流式噴灌自吸泵的水力設計與數值模擬*

周英環1，劉建瑞2，王增3

(1.北京科技職業學院，北京 102206；2.江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013；3.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

通過分析自吸泵結構和自吸性能的不足，對自吸泵的壓水室進行了改進，由正導葉式環形流道改進為正反導葉組合式流道，從而改變了流體的速度，流體順著反導葉流到導葉中心，減少了流體對泵殼的沖擊，并有效地減少或消除了泵腔的水流速度環量，使氣水分離更加充分，達到了提高自吸性能的目的。采用加大流量設計法對新型節水農業用射流式噴灌自吸泵的葉輪和壓水室進行了水力設計，并通過應用Pro/E和Fluent軟件，對加設了反導葉結構的泵體進行了3D結構設計和數值模擬，驗證了增設反導葉結構的意義。

自吸泵；自吸性能；正反導葉；水力設計；數值模擬

通過分析50PG-28自吸泵結構和自吸性能的不足，對自吸泵的泵腔進行了改進，由正導葉式環形流道改進為正反導葉組合的雙導葉結構流道，從而改變了流體的速度，流體順著反導葉流到導葉中心，減少了流體對泵殼的沖擊，并有效減少或消除了泵腔的水流速度環量，使氣水分離更加充分，達到了提高自吸性能的目的[1]。

本文對新型節水農業用微型射流式噴灌自吸泵進行了水力設計，并通過應用Pro/E和Fluent軟件，對加設了反導葉結構的泵體進行3D結構設計和數值模擬，驗證了增設反導葉結構的意義。

1　新型泵的水力設計

1.1噴灌泵的設計參數

設計流量qv=15m3/h，揚程H=28m，轉速n=2 860r/min，自吸高度Hg=4.5～5m。

1.2葉輪的水力設計

1.2.1葉輪軸面投影尺寸

1)葉輪進口直徑Dj。首先計算葉輪進口有效直徑D0，該自吸泵葉輪進口沒有輪毅(懸臂式葉輪)，即輪毅直徑Dh=0，則進口直徑為：

(1)

式中，n是泵的轉速，單位為r/min；Q是泵的流量，單位為m3/s；K0是系數，根據統計資料選取。

2)葉輪出口直徑D2。在設計一般離心泵時，葉輪出口直徑即葉輪外徑D2可以按下式來確定：

(2)

式中，u2是葉輪出口處的圓周速度，單位為m/s。

葉輪出口處的圓周速度是自吸泵設計時的一個關鍵參數。一方面，它對自吸時間和自吸高度有重要影響；另一方面，它對自吸泵的效率也有影響[2]。葉輪出口處的圓周速度由下式確定：

(3)

式中，Ku2是直徑D2的圓周速度系數，由ns確定，比轉速小時取大值，反之取小值；h是泵的揚程，單位為m。

由于泵的進口S型彎管等使得自吸泵增加了水力損失，同時出氣口氣液分離室的渦流也會造成影響，所以在計算葉輪外徑時，自吸泵葉輪的計算揚程應比上述計算值大，這里引入直徑放大系數K，于是自吸泵的葉輪外徑D2′可由下式確定：

D2′=KD2

(4)

式中，K是葉輪外徑放大系數，K=1.03～1.08。

3)葉輪出口寬度b2。b2可由下式確定：

(5)

式中，Kb2=(0.64～0.7)(ns/100)5/6。

Kb2、K應根據實際經驗來取值，不能過大或者過小[3]。

1.2.2葉片數Z的確定

葉片數對泵的揚程、效率和氣蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數，一方面要考慮盡量減少葉片的排擠和表面的摩擦，另一方面又要使葉道有足夠的長度，以保證液流的穩定性和葉片對液體的充分作用[4]。通常采用的葉片數也可按比轉速選取(見表1)。這里葉片數取Z=6。

最終得到葉輪的水力模型如圖1所示。

圖1　葉輪的水力模型圖

2　射流式噴灌泵的三維造型

在應用Pro/E軟件進行三維造型設計導葉時，先通過“插入-掃描”混合命令由點到線，由線到面，由面到體生成其中一個導葉，再通過“編輯-陣列”命令生成其他幾個導葉[5]。葉輪的三維造型如圖2所示。導葉的三維造型如圖3所示。反導葉的三維造型如圖4所示。

圖2　葉輪造型　　　　圖3　導葉造型

圖4　反導葉造型

在裝配射流式噴灌泵的過程中，首先應對該泵進行整體分析，要弄清哪些元件具有運動自由度，哪些元件完全約束。增設反導葉結構前，噴灌泵的水力造型如圖5a所示，增設反導葉結構后，噴灌泵的水力造型如圖5b所示。

圖5　增設反導葉前、后噴灌泵的水力造型

3　射流式噴灌泵的數值模擬

3.1網格劃分

為了保證計算結果的穩定性，葉輪進、出口及泵的出口均做了適當的延伸。由于進行整體計算，幾何模型比較復雜，加上反導葉結構后更為復雜，所以應用網格劃分軟件GAMBIT，采用對復雜邊界模型適用性較強的非結構化混合網格來進行劃分[6]。將圖5增設反導葉結構前、后噴灌泵流道的物理模型導入GAMBIT軟件，選擇Fluent5/6求解器，對葉輪、導葉和泵體、反導葉等流體區域分別劃分網格。具體采用三維混合網格，并對葉輪部分進行局部加密。增設反導葉前噴灌泵流道的三維網格劃分結果如圖6a所示，網格間距為1.0，進口流道和葉輪劃分后的網格數量為25 004，導葉和泵體劃分后的網格數量為715 949，整個模擬對象的網格總數量為740 953；增設反導葉后噴灌泵流道的三維網格劃分結果如圖6b所示，網格間距為1.0，進口流道和葉輪劃分后的網格數量為182 215，導葉和反導葉劃分后的網格數量為403 385，泵體劃分后的網格數量為344 079，整個模擬對象的網格總數量為930 179。

圖6　增設反導葉前、后噴灌泵流道網格劃分

3.2葉輪中截面絕對速度分布[7]

在Q/Qd=1.0工況下，增設反導葉前、后葉輪中截面絕對速度矢量圖和分布圖分別如圖7和圖8所示。

圖7　絕對速度矢量圖

圖8　絕對速度分布圖

由圖7a可以看出，在葉片出口靠近背面處出現漩渦，產生回流，導致局部水頭損失，影響水泵的性能。由圖8a可以看出，各流道內部速度分布比較均勻，葉輪流道內絕對速度從進口到出口呈逐漸增大，速度最大值出現在葉片出口附近。由圖7b可以看出，葉片工作面的速度大于相對應位置背面的速度，從葉片工作面到背面速度變化比增設反導葉結構前要平和很多，漩渦和回流區消失，這說明增設反導葉結構對提高噴灌泵的性能很有意義。由圖8b可以看出，各流道內部速度分布比較均勻，從葉輪的進口至出口絕對速度逐漸增大，速度最大值仍是出現在葉片的出口附近，但速度變化變得平緩，這說明增設反導葉結構可以減少流體對泵殼的沖擊損失，能有效地消除泵腔的速度環量，從而使氣水分離速度加快，提高了噴灌泵的自吸性能。

4　結語

通過數值模擬證明新型射流式噴灌自吸泵的設計是可行的，下一步將對新型射流式噴灌泵進行試驗，并將試驗結果與數值模擬進行比較[8]。這將為輕小型射流式噴灌自吸泵的進一步研究提供理論依據。

[1] 周英環，袁壽其，劉建瑞，等. 新型射流式噴灌自吸泵的水力設計與對比試驗研究[J].中國農村水利水電，2009(4)：62-64.

[2] 葉忠明，劉建瑞. 射流式自吸噴灌泵結構及設計方法初探[J].中國農村水利水電，2005(11)：104-105.

[3] 劉建瑞，周貴平，施衛東. 輕小型射流式自吸噴灌泵設計與研究[J].水泵技術，2006(3)：3-4.

[4] 周英環，劉建瑞，袁壽其，等. 50PG-28型射流式自吸噴灌泵的改進與試驗[J].排灌機械，2008，26(3)：6-9.

[5] 徐竹.智能CAD技術在機械制造中的應用[J].新技術新工藝，2015(7)：69-70.

[6] 馬志燕.數值模擬技術及其在沖壓加工中的應用[J].新技術新工藝，2014(8)：12-14.

[7] 周英環，袁壽其，劉建瑞. 新型射流式噴灌泵的數值模擬與實驗研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2009.

[8] 劉建瑞，李文科，施衛東. 射流式自吸離心泵的試驗研究[J].中國農村水利水電，2007(4)：66-69.

* 北京市教委青年英才計劃項目(19183)

責任編輯鄭練

TheHydraulicDesignandNumericalSimulationoftheNewSelf-SuctionSprinklerIrrigationJetPump

ZHOUYinghuan1,LIUJianrui2,WANGZeng3

(1.BeijingProfessionUniversityofScienceandTechnology,Beijing102206,China; 2.TechnicalandResearchCenterofFluidMachineryEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China; 3.BeijingManeuveringApparatusResearchInstituteofAccurateElectromechanic,Beijing100076,China)

Throughdiscussingthedisadvantageofself-suctioncapabilityandstructureofself-suctionsprinklerirrigationpump,introducethenewstructurenameddouble-guidebladewhichiscombinedwiththepositiveandnegativeguideblades.Itchangesthevelocityofthefluidwhichgoesintothecenterofguidevanealongtheanti-guidevane.Thus,theimpactofthefluidinthepumpisreduced,andthewaterflowvelocitycirculationofpumpcavityarereducedoreliminatedeffectively.Theself-suctioncapabilityofthepumpcanbeimprovedandtheself-suctiontimeisshortened.Thehydraulicdesignoftheimpellerandvolutearedonebydesigningmethodsofoversize-flow.The3Dphysicaldesignandnumericalsimulationforthedouble-guidebladepumparedonebythesoftwareofPro-eandFluent.Asaresult,thesignificanceisverifiedbythispaper.

self-suctionpump,self-suctioncapacity,positiveandnegativeguide-blades,hydraulicdesign,numericalsimulation

2016-03-09

TH311A

周英環(1983-)，女，專職教師，中級經濟師，主要從事噴灌自吸泵的設計等方面的研究。