高壓多級離心泵導葉的優化及分析

周文祥， 李春寧， 吳林虎

(1. 揚州港口污泥發電有限公司， 江蘇揚州 225009;2. 南京東大能源工程設計院有限公司， 南京 211106)

導葉是多級離心泵中一個重要的過流部件，主要作用是收集從葉輪中流出的液體,將其輸送到下一級葉輪入口或泵出口，將液體的動能轉換為壓力能，盡量消除液體在下一級葉輪入口處的旋轉速度。因此，導葉是一個重要的能量轉換部件，其水力結構的優劣對離心泵性能有著不可忽略的影響。已有學者研究發現導流殼內的水力損失占泵內水力損失的40%～50%[1-2]。

近年來，為了進一步提高多級離心泵的性能，降低運行成本，導葉的研究越來越得到重視，基于數值仿真模擬的關于導葉優化設計及新型導葉的研究工作也迅速發展起來。1988年，查森等[3]創建了離心泵導葉流場的計算模型，分析了導葉內部液體流動情況，并有效判斷出了導葉內部的分流區域及分流的嚴重程度。1998年，虞之日[4]在分析節段式多級泵正導葉和反導葉之間的環形空間中的速度和能量變化、過流面積及形狀的基礎上, 對環形空間的設計進行了分析和探討，認為導葉壓水室的擴散段設計，重點是權衡因流速過大造成的各種過流損失和擴散、收縮造成的損失。2006年，李家文等[5]提出了一種新型流道式導葉設計方法，通過試驗和模擬結果對比，得出該設計方法有利于提高導葉的水力性能。2014年，周邵萍等[6]采用葉輪設計法設計了徑向導葉的反導葉，對過渡段光滑處理，并運用脫體渦模擬(DES)數值仿真分析了改進后的導葉內部流場，發現改進后的反導葉和過渡段均有利于提高泵的性能。

袁丹青等[7]設計了一種新型空間導葉，利用數值模擬和正交試驗相結合的方法探索出主要幾何參數對空間導葉的影響規律并確定出最優幾何參數組合；但是該新型空間導葉內部會出現脫落、漩渦等現象。筆者對該新型空間導葉進行進一步優化，以額定壓力為7.4 MPa、額定體積體積流量為1 000 m3/h的節段式高壓多級離心泵為研究對象，根據導葉流道過流面積的變化規律和導葉內部流場情況，通過調整導葉葉片型線來改變導葉葉片厚度，使導葉流道更符合水力流動，并確定最優方案，為高壓多級離心泵和導葉的設計研究提供一定的技術參考。

1 節段式高壓多級離心泵的結構

圖1為節段式高壓多級離心泵的結構示意圖。

該離心泵符合API 610—2004 《石油、重化學和天然氣工業用離心泵》BB4型結構形式，多級節段式，徑向剖分，兩端支撐；垂直吸入，垂直吐出，中心線支撐安裝方式。泵總體設計符合GB/T 5656—2008 《離心泵技術條件》，參考API 610—2004以及煉廠、化工和石油化工流程用離心泵通用技術條件，整體結構設計采用國內最先進的平焊設計方法，承壓件均采用鍛造車削焊接成型，縮短了工期，提高了泵的抗震性、運行穩定性，而且承壓性能大大提高，抗高溫形變性能好，有效避免了鑄件結構泵的鑄件疏松、砂眼、高溫滲水及高溫鑄件裂紋斷裂等缺陷。密封腔按API 682—2014 《離心泵與轉子泵用軸封系統》設計，可裝各種形式密封，如單端面機械密封、雙端面機械密封、串聯式機械密封。密封函體設有可供選擇的冷卻腔，通冷卻水冷卻密封函體介質溫度，延長密封使用壽命。軸向力平衡機構為平衡盤或平衡鼓結構，殘余軸向力由推力軸承承受。

筆者針對鍋爐給水采用的節段式高壓多級離心泵的導葉葉片進行仿真優化，通過調整導葉葉片型線來改變導葉葉片厚度，使導葉流道更符合水力流動，從而指導高壓多級離心泵的設計。

2 空間導葉內部流場分析

圖2為袁丹青等[7]設計的新型導葉的導葉中間流面速度矢量圖。由圖2可以看出：從導葉進口到出口液體流速不斷降低，在導葉反流道內流速達到最小值并基本保持穩定，這符合液體在導葉中的流動規律。但經過正交試驗優化后的導葉，在反流道凸面附近存在低速流動區域，該區域內流動比較復雜、紊亂。圖3為該導葉的凸面速度矢量局部放大圖。由圖3可以看出：導葉從正導葉到反導葉過流面積變化較大，脫流和漩渦現象明顯，特別是在導葉后半部分，過流面積擴散比較明顯，引起邊界層分離、脫流等現象，即該新型空間導葉的正反葉片連接為一體，過流流道長、包角大，且導葉反流道的擴散度較大，流道內逆壓梯度大，在靠近導葉出口的凸面，邊界層容易產生分離，進而發展成脫流、漩渦等現象[8-9]，邊界層分離區的液體速度遠小于主流速度，起阻塞作用，因此流動損失較大。為得到更優的導葉模型，筆者針對導葉反流道內部的脫流、漩渦現象進一步分析，對導葉流道進行更進一步的優化。

3 幾何模型及優化方法

針對葉輪流道內的漩渦、脫流等現象，眾多學者控制流道內部脫流、漩渦現象的主要手段是改變葉片數量、葉片型線、包角等[10-12]，以改變流道的擴散度。筆者針對上述新型空間導葉存在的不足，結合導葉內部流場和導葉流道過流面積變化規律，運用改變導葉葉片型線的設計方法[13]，對導葉葉片后半部分進行加厚處理，減小新型空間導葉反流道內部的擴散度，得到兩種新的導葉葉片模型(導葉V2、導葉V3)，原導葉葉片模型為V1。三種導葉葉片的三維模型見圖4。

4 數值模擬方法

圖5為用ICEM軟件建立的三維計算區域結構網格[14]。通過驗證網格無關性表明，網格尺寸越小，有限元模擬的結果越容易收斂。將網格導入FLUENT軟件[6]中，設定整個流道內部的流場為三維不可壓縮穩態黏性湍流流場，建立相對坐標系下時均連續方程和動量方程[15]，選用k-ε湍流兩方程，利用標準壁面函數對壁面進行處理；進口邊界條件為速度進口，出口邊界條件為壓力自由出流；壓力速度采用SIMPLEC進行耦合。當離散方程的最大殘差小于10-4時，可認為模擬收斂。

5 計算結果及分析

5.1 導葉內部流場分析

圖6為三種導葉中間回轉流面速度矢量平面展開圖。

由圖6可以看出：整體上，從導葉進口到出口，三種導葉速度均不斷減小并趨于穩定。加厚過的導葉V2、V3與原導葉V1相比，在導葉凸面的局部區域，葉片凸面脫流現象得到明顯改善，并被控制在靠近凸面很小的區域內，整個流場流速均勻變化。對比加厚過的導葉V2和V3，可以看出兩個導葉流道內脫流現象相差不大，但由于V3葉片厚度更大，其擴散度更小。綜合分析，通過適度增加導葉葉片后半部分的厚度來減小新型空間導葉反流道內部的擴散度，有助于減輕導葉流道內的脫流現象，使流道內部流場更加穩定均勻。

圖7為三種導葉從導葉進口到出口流線上總壓力變化趨勢(其中，L為導葉進口到出口流線的相對沿程距離)。由圖7可以看出：在導葉進口處，受葉輪旋轉和進口沖擊等因素的影響，總壓力在進口很小的區域內波動比較劇烈，之后三種導葉總壓力都隨流線不斷下降，在導葉出口達到最小。在流道的前半部分，三種導葉總壓力隨流線的變化趨勢基本一樣，而在流道的后半部分，導葉V1的總壓力下降相對比較劇烈，說明該導葉在此處損失較大，而導葉葉片型線改進設計的導葉V2和導葉V3總壓力下降相對平緩。對比導葉V2和V3，發現在流道后半部分，導葉V2總壓力下降幅度比導葉V3小，且下降更加平緩，說明導葉V2在此處水力損失更小，而導葉V3的葉片厚度較大，流道內流速相對較快，造成流動摩擦損失增大[16]。

圖8為導葉V1和V2中間流面流線分布圖。由圖8可以看出：葉片加厚前的導葉V1反流道內流線主要集中在靠近凹面區域，在導葉凸面區域有明顯的漩渦現象，這是由于流體進入反導葉時因轉彎段過于平坦而積聚于反導葉凹面附近，并帶動凸面附近靜止的流體做反向運動而形成漩渦[17]，而優化后的導葉V2流線在整個反流道內分布均勻，漩渦現象得到明顯改善。為了提高效率，最終優化方案選取損失最小的導葉V2。

5.2 最優導葉流場分析

圖9為最優導葉V2額定工況(即1.0倍體積流量工況)下不同回轉流面速度分布的平面展開圖，三個不同流面內速度分布規律基本相同。對比發現，靠近內蓋板流面液體流動速度最小，靠近外蓋板流面液體流動速度最大，但三者相差不大，這是由慣性作用流體介質靠近外蓋板流動引起的；三個流面上導葉流道寬度分布略有不同，越靠近外蓋板的流面正導葉流道寬度越大，這是因為新型空間導葉的過流斷面呈T形。

圖10為不同體積流量工況下導葉V2葉片進口區域速度矢量圖。由圖10可以看出：三種工況下導葉進口葉片處的流動都比較均勻，在0.8倍體積流量工況，流體液流角略小于導葉進口安放角，進口處存在一定沖擊現象。葉輪對流體做功, 流體由葉輪出口高速旋轉流出進入導流殼, 在導流殼進口附近流速較大, 主要為圓周方向分量。隨著體積流量增大，液體流速增大，葉輪出口液流角也隨之增大，在1.0倍和1.2倍體積流量工況下，流體液流角基本和導葉進口安放角相同，實現了無沖擊入流，內部未發生流動分離現象，證明了導葉進口安放角設計的合理性[18]。

圖11是不同體積流量工況下導葉V2中間流面的速度矢量圖。在三種體積流量工況下反導葉葉片凸面的速度略小于凹面的速度，這與正導葉內凹凸面速度變化保持一致。體積流量越大，導葉流道內液體的流動速度也越大；反導葉出口處由于流道由徑向往軸向過渡，所以流動方向逐步與軸向方向一致[19]。由圖11可以看出：在導葉反流道凸面都存在一定脫流現象，但區域很小，對整個流道內流動影響較小。

圖12為額定體積流量工況(即1.0倍體積流量工況)下導葉V2出口處的速度分布圖。由圖12可以看出：導葉V2出口速度分布均勻，沒有漩渦、回流等現象，液體流動方向垂直進入下一級葉輪進口，基本消除了速度環量，為下一級葉輪提供了均勻的速度場。

圖13為導葉V2中間流面湍動能分布圖，整個導葉流道的湍動能都集中在一個比較小的范圍內，在導葉進口區域，湍動能梯度相對較大，而在導葉反流道內湍動能基本沒有變化?？傮w上導葉V2能量損失較小，只在導葉進口處的葉片附近存在一定的水力損失，這是由于導葉進口流速較大，流體與葉片和蓋板間流動摩擦損失較大。

導葉V2軸截面靜壓分布圖見圖14。由圖14可以看出：流體進入正導葉后，由于正導葉的擴散作用，使流體的動能逐漸轉化為壓力能，靜壓沿流動方向逐漸升高，并在導葉頂端正反導葉過渡部分達到最大值，進入反導葉后由于沿程水力損失，靜壓略有降低。整體上壓力變化均勻，沒有局部壓力波動，特別是在正反導葉過渡部分，流體靜壓均勻增加。在導葉出口轉彎處，壓力梯度較大，這是由于導葉轉彎處上下蓋板處液體流速分布不同。經過轉彎段與反導葉后的流體完成了動能向壓力能的轉換，速度得以降低，這樣可以保證流體進入下一級葉輪時的流速基本保持一致，導葉的導流作用得以體現[20]。

5.3 優化前后多級離心泵外特性對比

圖15是新型空間導葉優化前后數值模擬結果的體積流量-揚程曲線對比。兩種導葉單級揚程都隨著體積流量的增加逐漸降低，優化后的導葉V2的體積流量-揚程曲線變化趨勢比優化前的導葉V1變化更加平穩，在小體積流量工況下，導葉V1的單級揚程比導葉V2高3 m，而在1.4倍體積流量工況下，導葉V1的單級揚程比導葉V2低將近20 m，由此看出，優化后的導葉能夠在更寬的體積流量工況下滿足揚程設計要求。

圖16是新型空間導葉優化前后數值模擬結果的體積流量-效率曲線對比。兩種導葉體積流量-效率曲線走勢基本相同，但是優化后模型的泵效率明顯高于優化前模型的泵效率。在小體積流量工況下，兩種泵效率曲線相差較小，隨著體積流量增大差別逐漸加大，在1.0倍體積流量和1.2倍體積流量工況附近兩種泵效率差別較大，導葉V2的泵效率比導葉V1高出5%左右，說明優化后的導葉在額定工況和大體積流量工況優勢更加明顯。

通過數值模擬得到的新型高壓多級離心泵外特性曲線對比可以得出，優化后的導葉V2的水力性能明顯優于導葉V1。

6 結語

(1) 通過分析優化模型的內部流場和導葉流道的變化規律，借助數值模擬，運用改變導葉葉片型線的方法對導葉葉片厚度進行調整，使導葉流道的設計更加合理，改善了導葉流道內的脫流現象和導葉凸面區域的漩渦現象，在一定程度上削弱了二次流的影響，減少了能量的耗散，內部流場更加均勻穩定，水力損失更小。

(2) 對優化前后數值模擬結果的體積流量-揚程曲線和體積流量-效率曲線進行對比，可以看出多級離心泵的外特性有一定的提高，優化后的導葉能夠在更寬的體積流量工況下滿足揚程設計要求，并且在大體積流量工況下優勢更加明顯，該優化結果可為探索導葉的設計規律、改善內部流動狀況、進一步提高多級泵的運行效率和穩定性提供參考。