軸流泵的葉片優化及內部流動特性研究

何德璋

（宣城市宣州區雙橋聯圩水利工程管理處，安徽 宣城 242000）

1 軸流泵性能實驗探討

1.1 幾何模型

高比轉速軸流泵的基本結構參數為：葉片直徑300mm，葉輪葉片數3。最高效率模型泵的物理參數為：流量QBEP=410L/s，揚程H=3.2m，效率=80.4%，轉速n=1450r/min。

1.2 網格劃分

1.2.1 仿真模型的網格劃分

由于六面體具有良好的質量和便于控制的特點，本文利用六面體網格對其進行了數值模擬。在此基礎上，采用了具有較高自適應性的四面體網格，以適應在不同模式下的非預期的葉片形態。

1.2.2 計算方法與邊界條件設置

由于六面體網格質量高，易于控制，因此本文采用六面體網格用于分析其內部流動狀態。在優化過程中，使用自適應性高的四面體網格來適應模型變化過程中不可預見的葉片形狀。本文選用ANSYS CFX對軸流泵進行了計算。邊界條件的設置方面，流體介質設置為25℃，入口邊界為總壓入口，壓力為1atm，出口邊界為質量流。利用多重參照坐標系方法，將葉片流道區域設定為轉動坐標系，入口段、導葉和出口段的計算區域作為靜止座標系，網格節點間的匹配方式選擇采用GGI，旋轉區和靜止區的耦合界面選擇采用TFR，而非選擇區間的耦合界面選擇采用None。方根收斂殘差（RMS）的準則是1×10-4，選擇SST湍流模型。

1.2.3 網格無關性分析

采用5組不同數量的網格數目進行計算，網格總數分別約為N1=210萬，N2=240萬，N3=270萬。對高比速軸流泵的網格進行無關性分析，以減小網格數目對計算結果的影響，并降低計算工作量。網格無關性的檢驗是在不同網格數條件下模型泵的揚程計算值進行的，如圖1所示。揚程在初始階段隨網格數目的增大而增大。在網格數超過N1數值的情況下，揚程隨網格數的增大而減小。在N2數值以上的區域，揚程變化小于1%，說明網格數對數值模擬的影響很小，所以針對本文的計算采用240萬個網格。

圖1 網格無關性檢驗

1.3 軸流泵性能實驗

在φ500泵模型試驗臺上對模型泵展開性能測試，水當作介質，借助電磁流量計對其流量展開測試，流量控制的由電子閥門完成，采用總線多功能采集系統處理數據。在軸流泵的效率層面，最優工況的效率為1.0QBEP。對0.5QBEP～1.0QBEP驗值對比，得知極大流量時，實驗值比預測的相對而言低。借助對數據展開檢驗，得到該泵的工作性能曲線，為其內流場的剖析確立了條件。

2 BVF流動診斷及泵內部流場

借助各個工況下軸流泵葉片的BVF分布，得知在最優工況下BVF布局是均衡的。僅在接近壓力面入口的邊界處和吸力面的輪轂入口位置有個較小正峰值，表明這一范圍做了負功，這是因進風口角度設計不當而致。本文選用極限流線圖和三種工況下，對葉片在20%、60%和90%葉片高度上的負荷、葉片內流線布局展開探討。

2.1 最優工況

如圖2所示，在60%、90%的葉片的壓力面，其入口壓力梯度極大，可見小范圍的正峰值。從軸流泵最優工況（1.0QBEP）情況下的內流場特點得知，整個軸流泵總體上是較為穩定的。即使有部分流動阻礙和BVF較小的正峰值范圍，但對軸流泵的流體力學性能及內流場可靠性沒有顯著干擾。

圖2 1.0QBEP不同葉高的葉片載荷

2.2 臨界失速工況

圖3表明了臨界失速工況（0.66QBEP）葉片表面的流線圖。圖3（a）表明葉片壓力面入口在輪轂附近有回流，圖3（c）表明葉片吸力面在輪轂附近出現流動錯亂，出現回流。圖3（b）表明葉片吸力面中部具有顯著旋渦，流態極其錯亂，BVF正峰值也出現在流態錯亂區。

圖3 0.66QBEP葉片表面的極限流線圖

圖4（a）表明，鑒于入口液流角的變小，使葉片吸力面的一邊出現傾斜，致使葉片入口的壓力和吸力面均有不同程度的BVF正峰值。圖4（b）表明，流線經由葉片后緣流動到附近的壓面處，對其形成相應的干擾，這是因為葉片的出口角和吸力面造型的失誤而致使的。圖4（c）表明，在葉片吸力面前端一直到葉片中間的漩渦會使流道里面的流態下降，以致在葉片吸力面的中央形成BVF正峰值區域。

圖4 0.66QBEP葉片不同截面上的流線圖

2.3 深度失速工況

圖5（a）表明，臨近輪轂的葉片入口處的流動分離程度更深。圖5（b）表明，在葉片中部具有顯著的流動分離，20%的高度處，中間的氣壓變動較大。圖5（c）表明，在流線的尾緣有顯著的流動分離，葉高90%位置處吸力面壓力分布變動顯著。此外，鑒于葉片的吸力面型線和出口角的設計失誤，致使在葉片出口處的氣流出現錯亂，流線經由出口后會偏向附近的葉片，以致對附近葉片的流態形成相應干擾。此問題會致使葉輪里面的能量消耗，使揚程減低，形成“馬鞍區”。

圖5 0.62QBEP葉片表面的極限流線圖

3 軸流泵葉片的多參數優化

3.1 葉片的參數化造型

（1）軸流泵葉片截面的參數選擇。由于設計的不同的空間，其橫斷面會根據一定的規則來構成一個整體，因此，葉片剖面的大小直接影響到葉片的外形，而產生截面的關鍵是確定截面的參數。本文選用圓弧法對軸流泵的二維剖面開展設計，詳細參數如表1所示。

表1 各個截面的主要參數

（2）軸流泵葉片的約束與造型。使用Catia軟件繪制軸流泵的二維截面圖。利用知識表模塊寫入模型的幾何參數，編制葉片工作面的控制參數，編輯二維截面最大厚度與位置厚度的關系。利用這種方法，使二維截面完全受限制，二位截面可以通過改變知識表中的參量自動修正。軸流泵型葉片建模，與上面所述的二維截面相似，需用5～8次模擬軟件掃描成型。因為所有的截面都在一個平面上，所以只需要將一個平面水平移動到豎直方向。由此求出各截面的空間位置，得出一組曲線。另外，用Caita軟件對曲線進行光順修復，最大誤差為0.01mm。之后，掃描不同部位的葉片截面，完成葉片的參數造型。

3.2 葉片進、出口角的優化

對不同工況下優化前后的軸向速度和速度環量對比分析，得出結論：在1.0QBEP和0.66QBEP工況下，葉片入口軸向速度和速度環量的變化趨勢大致相同。當0.62QBEP時，優化前葉輪入口軸向流速為負，而優化后的入口軸向速度相對穩定，沒有出現負值，反映進入口的回流狀況有所變好。在0.62QBEP工況下，葉片入口轉速環量隨直徑系數的增加而增加，就此可知，在葉片入口處，有較大的旋轉流動，使葉片入口流態下降。優化后，速度環量顯著提高。

3.3 葉片厚度的優化

選用多島遺傳算法優化模型，借助500步迭代計算后得出83.17%的最優效率，比優化前增強了2.77%。得出結論如下：優化方式可對輪緣處的厚度進行降低，輪轂處的葉片厚度進行增加，而在葉片中間位置界面的厚度則進行較小的變更。根據對最優工況下的內流場和葉片入口流態的解析，得知在低流量工況下，葉片入口角要超過低流量的需求，在葉片入口處會出現流動分離，使其偏向葉片的吸力面。鑒于在0.66QBEP和0.62QBEP的葉片輪緣處渦流變動更加顯著，對附近葉片的做功性能造成相應的干擾。故此根據對葉片輪緣入口角和厚度的減少進行優化，合理地改進葉片入口的流動，并能有效控制低流量工況下葉片吸力面中央造成的漩渦。

4 結語

（1）對二維截面出、入口角進行了優化，得知在1.0QBEP工況下，葉片壓力面入口位置的BVF分布有顯著的改進，葉輪內的流動較為穩定，0.66QBEP時，葉片吸力面中央BVF的正峰和漩渦流動狀態均有改進。（2）對二維截面的最大厚度進行了優化，得知在1.0QBEP工況下，葉片壓力面入口位置的BVF分布明顯好轉，葉輪內的流動較為穩定。葉片高度在90%的時，葉片截面位置的漩渦流動有顯著的改進。針對軸向速度，優化后的稍低于優化前；針對回流現象和速度環量，在0.62QBEP工況下均有改進。（3）對葉片出、入口角以及厚度進行了優化，使1.0QBEP工況下的流態得到改進。當所處低流量工況時，輪緣入口角和壁厚的降低有益于增強入口流態，合理地控制錯亂流態現象的出現。