葉片出口安放角對中比轉(zhuǎn)速離心泵非定常性能的影響研究

萬 倫，宋文武，羅 旭，虞佳穎，陳建旭

(1. 宜賓市長寧縣水利局，四川 宜賓 644300； 2. 西華大學能源與動力工程學院，成都 610039)

0 引 言

離心泵由于結(jié)構簡單、運行可靠，在水利、能源等諸多領域得到廣泛應用，因此提高離心泵的運行穩(wěn)定性十分有必要，而葉輪作為離心泵中的旋轉(zhuǎn)部件，對離心泵的能量轉(zhuǎn)換有著關鍵作用，其結(jié)構設計的優(yōu)良對整個離心泵的性能至關重要[1-3]。

國內(nèi)外學者主要從葉輪的進口安放角、葉輪出口直徑、葉片包角等結(jié)構參數(shù)進行了改進，每一個參數(shù)的優(yōu)化都對離心泵的性能產(chǎn)生了較大影響。如Ding HC等[4]研究了葉片出口角對高速離心泵的性能影響，研究表明隨著流量的增大，適當減小離心泵的葉片出口角有助于減小葉輪的水力損失；付燕霞等[5]分析了在小流量時離心泵的空化性能受葉片數(shù)的影響，得到離心泵的葉片數(shù)會影響到葉輪進口處的低壓區(qū)分布，從而影響到離心泵的抗空化性能；顧延東等[6]研究分析了蝸殼的壓力脈動與葉輪出口寬度之間的關系，得到蝸殼的進口寬度和葉輪的出口寬度之比與蝸殼流道內(nèi)流體的壓力脈動具有緊密關聯(lián)；萬倫等[7]研究了高比轉(zhuǎn)速離心泵的水力振動受葉片包角的影響，分析得到離心泵的水力振動受葉片包角的影響較大，存在一個最優(yōu)角使其性能最佳；崔哲等[8]研究了低比轉(zhuǎn)速離心泵性能受葉輪口環(huán)間隙的影響，研究表明隨著口環(huán)間隙的增加，離心泵的揚程呈下降趨勢，同時其振動的能量也在往高頻處移動；操瑞嘉等[9]研究了葉輪出口邊對雙蝸殼離心泵的非定常性能影響，研究表明適當?shù)貙⑷~輪出口邊傾斜有助于減小葉輪和蝸殼之間的壓力脈動；董亮等[10]研究了長短葉片對離心泵的性能影響，得到優(yōu)化后的模型較優(yōu)；石麗建等[11]研究了葉片進口沖角對軸流泵運行穩(wěn)定性的影響，在進行軸流泵葉輪設計時需要同時兼顧輪轂和輪緣的側(cè)翼沖角；張興等[12]研究分析了離心泵空化性能與分流葉片進口直徑之間的影響，研究表明當增加或者減小分流葉片進口直徑的大小時，泵揚程和效率變化較小，但增大分流葉片的進口直徑有助于提高離心泵的抗空化性能；康俊鋆等[13]研究了離心泵的空化性能與葉輪進口直徑之間的關系，得到離心泵的抗空化性能與葉輪進口直徑之間有緊密關聯(lián)，會影響到進口葉輪的壓力分布；江偉等[14]將半高導葉應用于離心泵并探討了半高導葉對離心泵的徑向力影響，研究表明半高導葉在提高離心泵的壓力脈動、高效區(qū)方面具有積極作用，也有助于改善流體在離心泵內(nèi)部的流場特性，從而降低葉輪的徑向力。

從上述文獻可知，葉輪幾何參數(shù)對離心泵的性能會產(chǎn)生重要影響，大多集中在葉片數(shù)、進口沖角等，但是對葉片出口安放角的研究涉及較少，尤其是對中比轉(zhuǎn)速離心泵。鑒于該種情況，本文著眼于研究了葉片出口安放角對中比轉(zhuǎn)速離心泵的性能影響，利用數(shù)值模擬的計算方法，分析了不同工況時離心泵的能量曲線、壓力脈動和徑向力特性，以期為離心泵的高效安全穩(wěn)定運行提供一定的參考價值。

1 研究模型與數(shù)值計算

1.1 三維模型與網(wǎng)格劃分

本文研究的離心泵其基本參數(shù)如表1所示。為了便于區(qū)分，對不同的葉片出口安放角葉輪模型進行編號，如表2所示 。通過CFturbo生成該離心泵的葉輪和蝸殼，為了減少進出口邊界條件對離心泵內(nèi)流體的流動影響，在UG中對進口段和出口端進行適當?shù)难由欤瑘D1是葉片出口安放角為27°的三維計算域圖。

表1 離心泵的基本參數(shù)

表2 不同的葉片出口安放角對應的葉輪編號

圖1 離心泵三維造型

將三維模型導入到ICEM中進行網(wǎng)格的劃分，考慮到葉輪葉片的扭曲性，在對離心泵模型進行網(wǎng)格劃分時選用了適應性能力較強的非結(jié)構四面體網(wǎng)格，同時對整個流域的壁面采取了網(wǎng)格加密的方式，并對整個三維流域進行了網(wǎng)格的無關性分析。 以β2是27°為例，確定該模型離心泵的網(wǎng)格數(shù)為2 261 350，圖2表示該流體域的網(wǎng)格分布。

圖2 模型離心泵的網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計算方法

基于標準RNGk-ε湍流模型，離心泵的流體域壁面采用的是壁面函數(shù)法，進口邊界條件是總壓進口(1 atm)，出口邊界條件是質(zhì)量流量。非定常計算時，以計算葉輪每旋轉(zhuǎn)3°計一個時間步長，即Δt=3.448 3×10-4s，每一個時間步長迭代10次，總計算時間為t=0.248 76 s，即葉輪旋轉(zhuǎn)6個周期。

2 結(jié)果分析

2.1 外特性分析

圖3為通過數(shù)值模擬獲得不同流量工況下離心泵的能量曲線。從圖3可以得到，離心泵的揚程與葉片出口安放角之間呈同步變化，這是由于較大的葉片出口安放角下，葉輪的出口直徑也相應增大，相應的流體在葉輪內(nèi)的摩擦損失相對減小從而提高了泵的理論揚程。設計工況下效率曲線隨著葉片出口安放角的增加呈先增加后降低的趨勢，小流量時葉片出口安放角越大，離心泵的效率越高。

圖3 離心泵能量性能曲線分布

2.2 靜壓分析

圖4表示非定常時在設計工況下葉輪和蝸殼中截面的壓力分布。在葉輪進口處，均有一定的低壓分布，由于葉輪做功作用，葉輪流道內(nèi)流體內(nèi)的壓力沿著流體的流動方向在逐漸增大。隨著葉片出口安放角的增加，蝸殼出口段和蝸殼隔舌處的高壓區(qū)面積在同步增大，蝸殼螺旋管內(nèi)的壓力也在不斷增大，蝸殼擴散管內(nèi)的壓力分布更為均勻，這是因為較大的葉片出口角下，流體在流道內(nèi)的流線更佳，流體從葉輪流出后不斷沖擊著蝸殼螺旋管和蝸殼隔舌。

圖4 蝸殼和葉輪的靜壓云圖

2.3 壓力脈動分析

為了更加清楚了解到不同工況下流體在離心泵三維流道內(nèi)的壓力脈動情況，在葉輪截面設置了Y1、Y2、Y3、Y4、Y5共計5個監(jiān)測點，在蝸殼截面設置了V1、V2、V3、V4、T、B共計6個監(jiān)測點對非定常時流體流動進行監(jiān)測。11個監(jiān)測點的位置分布如圖5所示，不同的葉片出口安放角下監(jiān)測點的位置是相同的。

圖5 監(jiān)測點位置分布

圖6表示5個葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點在設計工況下的壓力脈動時域分布。從圖6可以看出，3種不同葉片形式離心泵的壓力脈動規(guī)律在葉輪內(nèi)部各監(jiān)測點處有明顯的周期性，靠近葉輪進口處的壓力脈動受葉片出口安放角的影響很小，從葉輪進口到出口，流體的壓力脈動從一條直線變成一條曲線。相同時刻隨著葉片出口安放角的增加，各監(jiān)測點的壓力脈動值逐漸減小，但是減小的幅度不大。

圖6 葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點壓力脈動時域分布

圖7表示蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點在小流量工況、設計工況、大流量工況下的壓力脈動時域分布。由圖7可得，在葉輪旋轉(zhuǎn)一個周期各監(jiān)測點的壓力脈動波動6次，剛好為葉輪的葉片數(shù)，在大流量工況下該種規(guī)律分布的更為明顯。小流量工況下，蝸殼螺旋管內(nèi)各監(jiān)測點的壓力脈動值沿流體流動軌跡逐漸變大，當增大葉片出口安放角時，同一位置的壓力脈動值同步在增大。1.0Qd時，同一葉片出口安放角下，在蝸殼螺旋管內(nèi)沿著流體的流動方向各監(jiān)測點的壓力脈動值逐漸減小，隔舌監(jiān)測點T、蝸殼出口處監(jiān)測點B壓力脈動變化區(qū)間較大，隨著葉片出口安放角的增加，兩個監(jiān)測點的壓力脈動值逐漸增大，但蝸殼螺旋管內(nèi)各監(jiān)測點的壓力脈動變化區(qū)間較小。大流量工況下，V1監(jiān)測點的壓力脈動值最大，當葉片出口安放角變大時，監(jiān)測點B的幅值逐漸增大且逐漸超過隔舌監(jiān)測點T。

圖7 不同流量工況下蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點壓力脈動時域圖

將葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動時域經(jīng)過FFT變換，可以得到其頻域分布，如圖8所示。由圖可知，各監(jiān)測點均在1倍轉(zhuǎn)頻(24.17 Hz)處發(fā)生了壓力脈動主頻。各監(jiān)測點沿著流體在葉輪流道內(nèi)的流動方向，其壓力脈動幅值在逐漸增大，在相同的葉片出口安放角下，各監(jiān)測點的壓力脈動幅值幾乎呈一條直線增加。當葉片出口安放角變大時，各監(jiān)測點的壓力脈動幅值逐漸減小，由β2=24°到β2=27°時尤為突出，說明適當?shù)卦龃箅x心泵的葉片出口角可以改善流體在出口處的流線，從而有助于減小流體的壓力脈動。

圖8 葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動頻域

將蝸殼監(jiān)測點的壓力脈動時域通過FFT變換，可以得到其頻域分布，如圖9所示。從圖9可以看到，各點的壓力脈動幅值均發(fā)生在相同位置處即1倍葉頻(145 Hz)。從蝸殼進口到出口沿流體流動方向各監(jiān)測點壓力脈動幅值呈先增加后減小的趨勢，在蝸殼隔舌處達到最大。當增大葉片出口安放角時，相同監(jiān)測點的壓力脈動幅值也逐漸增大，但當葉片出口安放角由27°增加到30°時，各監(jiān)測點的壓力脈動幅值變化很小。

圖9 蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動頻域

圖10表示不同流量工況下葉輪徑向力矢量分布。從圖10可以看到，相同流量下不同葉輪的徑向力分布較為相似，都是在葉輪旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)出現(xiàn)6個周期，呈六角星型分布，這主要是受到葉片與蝸殼隔舌之間的動靜干涉作用影響。在設計工況時葉輪徑向力是均勻分布在4個象限，而在偏工況時葉輪徑向力主要分布在二四象限。小流量工況時，當增加葉片出口安放角時，葉輪徑向力的分布范圍也逐漸增大。設計工況下，葉輪徑向力分布范圍與小流量工況時恰好相反，隨葉片出口角的增加而逐漸減小，但是其方向變化的比較劇烈。大流量工況下，增大葉片出口安放角，葉輪徑向力分布范圍逐漸減小，在1.4Qd時，三條葉輪徑向力曲線幾乎重合，葉輪徑向力分布呈對稱的六角星分布，說明在大流量工況下葉片出口安放角的改變對葉輪徑向力的影響很小。

圖10 葉輪的徑向力矢量分布

3 結(jié) 語

(1)在設計工況時，葉輪和蝸殼流道內(nèi)的壓力梯度隨葉片出口角的增加而逐漸減小，但是蝸殼隔舌處的高壓區(qū)面積會增大。

(2)設計工況下，葉輪流道內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動曲線沿流體流動方向由一條直線逐漸變成一條曲線。改變?nèi)~片出口安放角時，蝸殼隔舌監(jiān)測點的壓力脈動增減幅度較大。在不同流量工況下，改變?nèi)~片出口角對蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動影響較大，但不同工況下其變化規(guī)律不相同。

(3)小流量工況時，葉輪徑向力的分布范圍與葉片出口安放角變化趨勢一致，而1.0Qd和1.2Qd時則恰恰相反；1.4Qd時改變?nèi)~片出口角，葉輪徑向力分布范圍一樣，受的影響極小。