葉片數與葉片厚度協同設計對離心泵性能的影響研究

2021-05-31 07:58:40宋文武周月

中國農村水利水電 2021年5期

鄧強，宋文武，周月，宿科，陶成

（1.西華大學能源與動力工程學院，成都610039；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，成都610039）

0 引言

作為社會發展建設的通用機械，離心泵應用于多個領域內，消耗了大量的能源。葉輪作為離心泵主要的做功和過流部件，其水力參數設計的合理性對離心泵性能起著決定性作用。因此，改變葉輪水力參數來研究對離心泵性能的影響具有重大意義。

目前，國內外對于離心泵的理論研究還處在不斷完善階段，趙偉國等［1］深入研究了葉片數對離心泵葉輪空化特性的影響，結果表明離心泵揚程隨葉片數的增多而增加，空化特性曲線隨葉片數的變化而變化。萬麗佳等［2］對固液兩相流條件下葉片數對離心泵的影響進行了研究，發現蝸殼的壓力脈動幅值和隔舌處的壓力值，隨著葉片數的增多而增大和減小。付燕霞等［3］發現在空化條件下，離心泵葉輪扭矩和泵揚程隨葉片數的變化規律相似。ZHAO W G 等［4］研究含沙水中條件下，不同含沙濃度和沙粒直徑對離心泵的影響，發現固體濃度的增大會使壓力脈動、脈動速度、湍動能分布增大。陳然偉等［5］對船用離心泵在不同葉片數下進行了研究，發現了葉片數對船用離心泵揚程、效率和性能的影響程度以及對船用離心泵內部流動的影響。袁壽其等［6］研究表明發現管道泵產生振動的主要因素是壓力脈動和不穩定的流體力，內部流動的穩定性在在一定程度上決定泵整體振動水平的大小。談明高等［7］研究了葉片數對離心泵內流誘導振動噪聲的影響，在小于設計流量時，隨著葉片數的增大，軸頻的峰值逐步增大。周佩劍等［8］研究葉片數對離心泵葉輪失速特性的影響，研究發現當葉片數為偶數時，會發生“交替失速”流動現象；當葉片數為奇數時，會發生“旋轉失速”流動現象。周盼等［9］研究了葉片數對離心泵流場誘導振動的影響，結果表明：6 葉片的葉輪及蝸室內各個監測點壓力脈動較小，機腳振動在軸頻下響應較小；葉片數為7 時，軸頻的二倍頻與葉頻的低倍頻峰值變大，而葉頻的高倍頻幅值有所降低。LI W G［10］研究了葉片數對離心油泵性能的影響，表明葉片數在離心油泵輸送低液體黏度的介質時影響很大，在介質黏度較高時，這種影響較小，故應該用較少葉片數的葉輪來輸送高黏度油。TAO Y 等［11］研究了葉片厚度對半開式葉輪離心渣漿泵瞬態流動特性的影響，結果表明，葉輪出口處的壓力波動會隨葉片厚度增加而變得嚴重，在葉片的吸力面的中部位置的相對速度的標準偏差減小。部分國內外學者也對離心泵進行了相關研究［12-15］。

綜合以上來看，葉片數與葉片厚度這兩個重要參數均對離心泵性能特別是空化性能有顯著影響，但基于兩者相互配合協同設計條件下來提高離心泵的性能還有待深入研究。針對以上問題來開展本文研究為離心泵葉輪參數設計和泵高效穩定運行提供重要的理論參考價值。

1 數值模擬方法

1.1 離心泵結構與參數

本文以一臺單級單吸離心泵為研究對象，主要設計參數如下：設計流量Qd=243 m3/h，揚程H=18 m，轉速n=1 450 r/min，比轉速ns=157，葉輪進口直徑D1=162 mm，葉輪外徑D2=262 mm，出口寬度b2=34 mm。離心泵三維模型如圖1所示。

圖1 離心泵三維模型Fig.1 3D model of centrifugal pump

1.2 協同設計方案的編號確定

對各方案模型進行編號，葉片厚度從小到大分別編號為1～3，葉片數從小到大分別編號A～C，進行協同組合得到A1 到A3組合。各協同設計方案具體編號如表1所示。

表1 協同設計方案編號Tab.1 Collaborative design scheme number

1.3 網格劃分

基于ICEM 軟件對離心泵模型進行網格劃分，并對隔舌位置進行網格加密處理。圖2表示B2 組合的葉輪和蝸殼計算域網格。分別對各組合模型的效率進行網格無關性檢驗，圖3為B2 模型在各網格數下的效率曲線。當網格數達到1.8×106個以上時泵的效率變化在0.3%以內，因此模型選擇網格數為1.817×106個，其他模型網格數均在1.8×106個以上。

圖2 葉輪和蝸殼計算域網格Fig.2 Impeller and volute computational domain grid

圖3 網格無關性檢驗Fig.3 Grid independence test

1.4 計算方法與邊界條件

本文基于ANSYS CFX軟件，選擇目前應用最廣泛的工程湍流模型k-Epsilon 模型，其方程以耗散尺度作為特征長度，由求解相應的偏微分方程得到，適用范圍更廣泛，研究結果表明，它能夠較好地用于某些復雜的三維模型［16］。

邊界條件設置為總壓進口，質量流出口。出口質量流量分別設置為：54、67.5、81 kg/s，分別對應為0.8、1、1.2 倍設計流量。在定常計算中，動靜交接面設置為Frozen Rotor（凍結轉子），計算精度為10-6；在非定常計算中，將定常計算的結果作為初始條件，動靜交接面設置為Transient Rotor Stator。葉輪選旋轉周期為T=60/n=4.138×10-2，非定常時間步長設定為葉輪旋轉3°，即時間步長為3.448×10-4s。

2 計算結果與分析

2.1 外特性

圖4為各協同方案的離心泵在各流量下的效率曲線，從圖4中可以看出，各模型離心泵的效率都隨著流量的增加呈現先增加后減小的趨勢，在設計流量附近達到最大值。在小流量工況下，各方案效率較接近；在設計流量及大流量下，離心泵效率相較于B 組（Z=6）到C 組（Z=7）從A 組（Z=5）到B 組增加較為明顯，各組方案的效率都隨葉片厚的減小而增大，這是由于葉片厚度減小，流道過流面積增大，葉片對液流排擠減小，因此在設計中應在保證強度安全的前提下適量增加葉片數和減小葉片厚度。

圖4 效率曲線Fig.4 Efficiency curve

圖5為各協同方案的離心泵在各個流量下的揚程曲線，從圖5中可以看出，各流量-揚程曲線變化趨勢基本一致。在相同流量下葉片數的改變對離心泵揚程的影響大于葉片厚度改變所帶來的影響，揚程隨著葉片數的增加而增加，這是因為葉片數增多，泵對流體的做功能力增強。葉片厚度對各組模型在不同流量下離心泵揚程的影響較小。

圖5 流量-揚程曲線Fig.5 Flow head curve

2.2 壓力分布

圖6是不同流量下各方案模型葉輪截面高度為0.065 m 處的靜壓力分布。由圖6可得，A、B、C 組葉輪內部低壓區均出現在葉輪進口位置頭部吸力面附近，由于蝸殼特殊的非對稱結構以及蝸殼與葉輪相互作用，導致葉輪各流道靜壓力分布不均勻，從葉輪進口到葉輪出口靜壓力不斷遞增，葉片工作面靜壓力顯著大于葉片背面。縱向比較可以發現，增加葉片數的，可以使葉輪內部壓力分布更為均勻，葉片出口處的壓力隨著葉片數的增加而增加，這是因為葉片數的增加使得葉輪對流體的做功得到了增加。橫向比較可以發現，改變葉片厚度對壓力的幅值和分布情況影響并不顯著。

圖6 不同流量下葉輪截面靜壓力分布Fig.6 Static pressure distribution of impeller section under different flow rates

2.3 葉輪內部速度場分布

圖7為不同流量下各方案模型葉輪截面高度為0.065 m 處的速度云圖。從圖7中可以發現，葉輪內較大速度出現在葉片前緣，并沿著葉片吸力面向工作面擴散。在小流量下，靠近隔舌位置出現明顯的低速區，在大流量下，靠近隔舌位置的葉片吸力面出現明顯高速區，在設計工況下，速度沿著葉片分布比較均勻。縱向比較，增加葉片數會使葉片吸力面速度減小。橫向比較，葉片厚度對小流量和大流量下泵內部速度分布的影響較設計流量下更為明顯。在協同設計方案中適當的同時增加葉片數并減小葉片厚度能提高液相速度在葉輪中分布的均勻性。

圖7 不同流量下葉輪截面速度云圖Fig.7 Speed cloud diagram of impeller section under different flow rates

2.4 湍動能分布

圖8為0.8Qd下葉片流道的湍動能分布。從圖8中可以看出湍動能主要出現在一個葉輪流道內。C 組（Z=7）方案湍動能明顯小于其他方案，這是由于葉片數的增加可以改善葉輪內的流動，使得湍動能減小。葉片厚度對B 組（Z=6）和C 組（Z=7）流道湍動能分布的影響不顯著。比較A 組（Z=5）方案，增加葉片厚度，其湍動能區域面積先增加后減小，這是由于葉片變厚后，流道過流面積減小，葉片排擠系數增大，在相同流量下，液流角和軸面速度變大，這使得液體的沖角變小，這就有一個損失最小的最佳沖角，因此離心泵葉片數較少時可以通過增加葉片厚度來改善葉輪內部湍動能分布。

圖8 0.8Qd下葉片流道湍動能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of blade channel under 0.8Qd

2.5 葉輪流道脈動分析

為了分析葉片數與葉片厚度的協同設計對離心泵葉片壓力脈動的影響，在葉輪流道中間分別設置監測點Y1、Y2、Y3、Y4，圖9為B2組合的模型監測點示意圖。

圖9 葉輪流道監測點位置Fig 9 Position of monitoring point of impeller runner

2.5.1 葉輪流道內的壓力脈動時域分析

對協同設計方案離心泵葉輪流道中間位置監測點Y1、Y2、Y3、Y4 的壓力脈動時域圖選取4 個周期進行分析，如圖10所示。從圖10中可以看出，所有方案的壓力脈動都呈現明顯的周期性變化，A、B、C 組所有協同方案的壓力從監測點Y1 到Y4 波動都由平緩到劇烈，壓力值也逐漸增大。橫向比較可以發現，隨著葉片厚度的增加葉輪進口和出口處的壓力脈動變化最為明顯，在A 組中，葉輪進口處壓力隨著葉片厚度增加而減小，出口處壓力則隨著葉片厚度增加而增大，在B、C 組中，葉輪進出口壓力都隨著葉片厚度的增加呈現先減小后增大趨勢。縱向比較可以發現，葉片數增加會使葉輪內整體壓力先減小后增大。綜上來看，在協同設計方案中，適當的同時增加葉片厚度與葉片數會使離心泵葉輪進出口的壓力值有所降低，但兩者或任意一方增加過大時會導致其壓力增大。

圖10 葉輪內監測點的壓力脈動時域圖Fig.10 Time domain diagram of pressure pulsation at monitoring points in the impeller

2.5.2 葉輪流道內的壓力脈動頻域分析

本次研究的離心泵設計轉速n=1 450 r/min，故泵的轉動頻率為24.17 Hz，則A、B、C 組方案的葉頻分別為：120.85，145 和169.19 Hz。對葉輪內監測點的壓力脈動值經過快速傅里葉（FFT）變換得到壓力脈動頻域圖，如圖11所示。從頻域圖可知，各組的葉輪流道壓力脈動主頻均發生在各自的轉頻位置，各組的壓力脈動幅值沿著葉輪流道方向呈增大趨勢。橫向比較可以發現隨著葉片厚度的增加，各組壓力脈動幅值逐漸增加。縱向比較，葉輪監測點壓力脈動幅值隨著葉片數的增加而減小。因此協同方案中適當同時增加葉片數并減小葉片厚度可以減小離心泵葉輪流道內的壓力脈動幅值。