復合導葉結構對斜流泵水力特性的影響研究

裴迎舉，宋文武，符 杰，胡 帥，程 偉

(西華大學能源與動力工程學院，成都 610039)

0 前 言

斜流泵又叫做導葉式混流泵，具有占地面積少、外徑小、抗氣蝕性能好、安裝維修方便以及效率高等特點。后置導葉作為斜流泵的主要過流部件，對其水力特性影響起著重要作用[1,2]。

隨著近年來CFD軟件的功能升級，在后置導葉對立式斜流泵水力特性影響方面的研究也逐步深入。楊從新等[3]分別對雙向FSI 模型和單一流體域不同模型進行了比較研究，并基于立式斜流泵不同導葉片數對水泵水力性能的影響進行研究，為立式斜流泵導葉數的選擇提供參考；王博珺等[4]應用NUMECA軟件，對一斜流泵內部流場進行數值模擬，得到了速度與漩渦分布，并通過對流動情況的分析，對出口導葉(后置導葉)進行修改，從而改善了流動情況，并提高了整機的性能；邴浩等[5]的通過給定不同的導葉進出口邊位置、進出口安放角及沿流線分布規律，在保角變換平面內完成葉片的加厚與修圓，并通過數值計算預測不同導葉對混流泵水力效率的影響；Kim J.H.等[6]通過數值模擬研究了混流泵導葉區直葉段長度比率、擴散段面積比率對效率的影響；張德勝等[7]針對斜流泵葉輪和導葉葉片數及導葉厚度等不同條件，對葉輪進、出口和導葉內的壓力脈動特性進行討論和分析；常書平等[8]為提高導葉式混流泵的水力性能，開展了葉頂間隙、葉輪葉片數、葉輪葉片安放角和葉輪葉片厚度對導葉式混流泵水力性能影響的研究；Muggl Felix A 等[9]基于CFD 對一臺立式斜流泵從零流量到最大流量工況下的流動特性進行了研究，得到了其變工況下內部不流動規律等。

以上成果多為研究后置導葉數目對斜流泵的水力特性影響，以及葉輪葉片安放角、葉輪葉片厚度和葉頂間隙對導葉式混流泵水力性能影響。本文將針對不同長短導葉位置的匹配設置對斜流泵內部流動、出口漩渦、效率和揚程等水力特性的影響，基于流線分布及壓力云圖，綜合分析復合導葉結構方案下水力特性，為斜流泵對不同后置導葉結構的選擇提供參考。

1 計算模型及網格劃分

1.1 計算模型

斜流泵主要參數有：流量Q=120 m3/h，揚程H=10 m，轉速n=2 900 r/min，比轉速ns=344。為了能夠更直觀準確的描述不同后置導葉結構對斜流泵水力性能的影響，在基于后置導葉結構符合流場流線規律及流道變化平順等設計原則的前提下，建立如圖1所示的不同導葉結構，以探究斜流泵后置長短導葉不同方案的水力特性。針對圖1的3種方案，利用三維造型軟件UG建立三維模型，并依據流線型設計理論對不同導葉結構三維模型進行優化，其中3種方案的三維模型如圖2所示。

圖1 導葉結構方案Fig.1 Vane structure programs

圖2 復合導葉結構三維模型Fig.2 3D model of composite vane structure

1.2 網格劃分

針對以上3種方案三維模型，利用ANSYS ICEM網格劃分軟件，采用非結構化網格對其流域進行離散化網格處理，如圖3流體域網格所示。為保證數值計算的精度，對葉片、導葉兩端過渡處采取網格加密處理。網格總數達到189萬。

圖3 流體域網格劃分Fig.3 Fluid domain mesh

2 計算分析

2.1 數值方法

流體運動的控制方程采用三維、定常、不可壓縮的雷諾時均N-S方程，由于RNGk-ε湍流模型對求解高應變率及流線彎曲較大的混流泵內部有較好的適應性[10]，因此采用RNGk-ε湍流模型：

湍動能的約束方程：

(1)

湍流耗散率的約束方程：

(2)

其中式子中：

應用SIMPLE 算法進行求解。壁面采用無滑移壁面，邊界條件進口采用壓力進口，出口采用質量流出流。

2.2 復合導葉結構斜流泵揚程

通過揚程計算，進一步探究不同長短導葉結構設計對斜流泵水力特性中揚程的影響，其中揚程計算公式：

H=Pout/ρg-Pin/ρg+Δz

(3)

式中：H為揚程；Pout為出口壓力；Pin為進口壓力；Δz為進出口高度差。

為了便于分析，用揚程系數的形式表示:

φ=H/Hd

(4)

式中：φ為揚程系數；Hd為泵設計工況下的揚程。

基于CFD仿真結果，統計出不同導葉結構揚程系數如圖4所示。

圖4 不同導葉結構揚程系數Fig.4 Head coefficient of different vane structure

從圖4不同導葉結構揚程系數可以看出：①隨著流量的加大，揚程逐漸減小，方案2和方案3長短導葉結構相對方案1在0.8Qd至1.2Qd流量段揚程數值較小。②短導葉不同位置的方案2和方案3相比，短導葉在進口位置相對出口位置的揚程系數較大。③圖4中方案1、方案2和方案3綜合分析，能夠清晰看出，長短后置導葉結構對斜流泵揚程有一定的抑制作用。

2.3 復合導葉結構斜流泵效率

對3種不同導葉結構的模型利用CFD軟件進行數值計算，并從仿真結果中提取出口壓力，計算不同方案下效率，其中效率計算公式如下：

η=ρgQH/P

(5)

式中：H為揚程；P為泵軸功率；η為泵效率；Q為流量。

其中，效率計算結果如表1所示。

表1 不同導葉結構效率 %

從表1不同導葉結構效率中可以看出：①長短導葉結構方案在不同流量段對斜流泵的整體效率產生較大的影響，其效率在整個流量段較低；②在0.8Qd至1.2Qd流量段，方案1和方案2長短導葉結構的效率相對方案1的效率較低，在0.8Qd至1.0Qd流量段，短導葉結構效率甚至下降3.9%，而在1.4Qd流量段附近方案1效率較低，在0.6Qd流量段附近方案3效率最高；③長短復合后置導葉結構對斜流泵整體效率是有一定的抑制作用。

2.4 流場分析

考慮到采用不同導葉結構對斜流泵水力性能的影響，需進一步對葉輪、后置導葉間流道的流場狀態進行分析。在CFD-Post中建立如圖5所示的截面Plane1，同時提取流線和壓力，如圖6所示。

圖5 Plane1截面位置圖Fig.5 Plane1 cross-section

圖6 不同導葉結構Plane1截面流線及壓力云圖Fig.6 Flow lines and pressure contours of Plane1 cross-sections of different vane structure

從圖6 不同導葉結構Plane1截面處流線及壓力云圖可以看出：①方案1、方案2和方案3中壓力最大值依次減小；②方案1中導葉進口靠近內壁面位置回流漩渦現象較方案2嚴重，但方案1在導葉出口位置回流漩渦較方案2小；③3種方案導葉出口漩渦呈不對稱分布；④方案3導葉進口靠近內壁面位置流場極其不穩定，回流漩渦較大，且在導葉出口位置紊流也相當明顯，進而造成水力損失嚴重，整體效率相對降低，同表1“不同導葉結構效率”和圖4“不同導葉結構揚程系數”相吻合。

由于單一從Z軸方向的全局流線來看，較難辨析出流場漩渦具體情況，為了更加充分的深入分析導葉間流場狀態，有必要設置XY方向截面進一步綜合分析。分別如圖7所示建立導葉出口處Plane2截面和距導葉出口處0.02 m位置的Plane3截面，在軟件CFD-Post中計算出Plane2截面和Plane3截面處的流線及壓力云圖，如圖8所示。

圖7 Plane2、Plane3截面位置圖Fig.7 Plane2 and Plane3 cross-section

圖8 不同導葉結構Plane2、Plane3截面流線及壓力云圖Fig.8 Flow lines and pressure contours of Plane2 and Plane3 cross-sections of different vane structure

從圖8后置導葉出口處和距導葉出口處0.02 m位置的截面流線及壓力云圖中對比可以看出: ①兩個截面位置低壓區均位于葉片背面，該位置易產生回流漩渦；②3種方案在Plane2截面和Plane3截面處都存在明顯漩渦現象，其中方案3 Plane3截面處回流漩渦在流道內間隔交替分布；③方案3中Plane3截面處漩渦現象較方案1和方案3中Plane3截面處的漩渦小，但在Plane2截面處漩渦現象嚴重。也是造成方案3整體水力特性下降的重要原因。

3 結 論

(1)復合導葉結構中短導葉在出口位置時，回流漩渦在流道出口處間隔交替分布，集中程度較大，紊流嚴重。

(2)不同位置的短導葉結構設置對水力特性影響較大，在設計流量工況下，短導葉在后置導葉流道的進口和出口相比，設置在出口流場相對平順，出口漩渦相對較小，整體水力性能較好，而設置在進口時，會加大導葉出口流場紊亂，漩渦明顯；但偏離設計流量工況下，設置在后置導葉流道的進口的整體水力性能較好。

(3)復合導葉結構在導葉出口處能夠一定程度上改善流場的平順性，但在導葉間內部流道造成流場紊亂加劇，加大水力損失，導致斜流泵水力性能的降低，研究結果可為斜流泵導葉結構設計提供參考。

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[3] 楊從新, 蘇曉珍, 李 強, 等. 不同導葉數對立式斜流泵水力特性影響的研究[J]. 人民長江, 2014,45(19):68-71.

[4] 王博珺, 冀春俊, 趙 衡, 等. 后置導葉對斜流泵性能的影響及分析[J]. 水泵技術, 2009,(6):28-31.

[5] 邴 浩, 曹樹良, 譚 磊, 等. 混流泵導葉對其性能的影響[J]. 排灌機械工程學報, 2012,30(2):125-130.

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[7] 張德勝, 施衛東, 王川, 等. 斜流泵葉輪和導葉葉片數對壓力脈動的影響 [J]. 排灌機械工程學報, 2012,30(2):167-170.

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[9] Muggli Felix A．，Holbein Peter，Dupont Philippe． CFD calculation of a mixed flow pump characteristic from shut off to maximum flow[C]∥Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting．USA，2001:249-254．

[10] 王福軍． 計算流體動力學分析——CFD 軟件原理與應用[M]． 北京: 清華大學出版社， 2004:124-125．