不同導葉高度對水泵性能影響研究

耿 博，劉德民，何海平，朱 強，李國鳳

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

近年來，水資源時空分布不均、水旱災害頻發、水環境嚴重污染以及水生態系統退化等問題日益突出，尤其是水資源時空分布不均以及水旱災害頻發已升級為嚴重的社會問題[1]，為了保障社會經濟穩步發展與生態環境相協調，建立合理的水資源調配及高效利用體系迫在眉睫，大型立式離心泵功率較大能耗極高，尤其是在長距離調水及灌排工程中，機組年運行時間長，因此不符合節能低碳的戰略目標。此外，該類泵對性能指標要求較高，運行的工況范圍要求較廣[2-7]，由于該類泵水力部件較復雜且各部件間的匹配性不夠高，因此在多工況下的水力性能參數尚有較大提升空間，尤其是研究如何在設計工況下提升泵的水力效率將對節能低碳工作具有重要意義[8-14]。

作者在對某泵站開發過程中，進行了不同導葉高度對水泵性能的影響研究，導葉高度為水泵設計中極為重要的一項參數，因此對其進行研究具有非常重要的意義。

1 數值計算模型

1.1 計算物理模型

東方電機為水源泵站開發的物理模型包括4 部分：泵殼、固定導葉、葉輪、進水管。針對不同固定導葉高度的研究，只需進行導葉與葉輪之間的相關研究，所建物理模型如圖1 所示，導葉數量為13 個，葉輪數量為9 個。

圖1 研究對象物理模型

針對研究對象均具有周期性特點，在數值模擬計算時采用單流道方式對其進行研究，所建計算模型如圖2 所示。

圖2 CFD 計算模型圖

1.2 湍流模型及邊界條件設置

數值模擬計算需選取合適的湍流模型，湍流模型是使控制方程封閉可解的一組代數方程或微分方程。綜合考慮現有湍流模型的應用情況和數值計算對計算機硬件的要求，應用比較多的湍流模型有標準k-ε、k-ω 和SST 模型。本文采用SST 模型，其對旋轉流動具有較準確的分析計算模式。

邊界條件設置：

（1）出口邊界條件給定為相應工況下的質量流量；

（2）進口邊界條件給定為平均靜壓為0；

（3）固壁設定為無滑移邊界；

（4）旋轉域（葉輪）與固定域（導葉以及進水管）之間的交界面，在計算中采用Stage Interface 模型（也叫Mixing Plane 模型）。

2 設計方案及結果討論

2.1 設計方案

本次設計3 種導葉高度方案，以方案B 為基礎，A 方案導葉高度減小10 mm，C 方案導葉高度增加10 mm。

表1 導葉高度方案設計表

2.2 結果討論

通過CFD 計算，得到了不同導葉高度對泵效率的影響，從圖3 可以看出，隨導葉高度增加，最優效率點向大流量進行移動，且小流量效率逐漸降低，大流量效率逐漸升高。

圖3 效率變化圖

圖4為流量揚程曲線隨不同導葉高度變化情況，從圖中得到，隨著導葉高度增加，流量揚程曲線的斜率逐漸變小，趨于平緩，且隨著導葉高度增加，駝峰性能在逐漸變差，駝峰低點掉的更深，駝峰出現的位置更早，箭頭指向位置為駝峰低點，曲率發生變化位置為駝峰開始出現位置，駝峰低點越低，曲率變化出現位置越早，駝峰性能越差。

圖4 揚程變化圖

圖5為空化性能NPSH 曲線圖，從圖中得到，隨著導葉高度增加，整體空化性能變化較小，在大流量和小流量區間內，出現差距，是由于揚程-流量曲線變化引起的，NPSH=空化系數×揚程；導葉高度越高，揚程-流量曲線越平緩，泵站運行所需范圍會越大，空化系數變大，相對空化性能會變差。

圖5 NPSH 變化圖

2.3 模型試驗結果驗證

本文對于不同高度的導葉進行了模型試驗驗證，采用方案A 和方案C 進行對比，結果如圖6 所示。結果表明：導葉高度增加，最優效率位置向大流量移動，小流量效率會降低，大流量效率增加；流量-揚程曲線斜率會變緩，駝峰深度會增加，駝峰位置會提前出現，對空化影響不大。

圖6 試驗結果驗證圖

2.4 流場特征

圖7中列舉了3 種方案最優工況葉片和導葉的壓力云圖、流線圖。從圖7 中得到，3 種方案壓力分布比較均勻，壓力梯度變化較為平緩，沒有出現極端壓力變化情況。

圖7 導葉及葉片壓力云圖

圖8為導葉及葉片流線圖，得到流體從進口到出口，整個流道內流動較為平順，速度分布均勻、壓力分布均勻、變化梯度合理，沒有明顯的漩渦及脫流現象，流線與葉片貼合度較好。

圖8 導葉及葉片俯視流線圖

3 結論

本文通過CFD 和模型試驗相結合技術手段對大泵不同導葉高度變化對其性能影響進行了研究，得出以下結論：

（1）隨導葉高度增加，大泵最優效率位置向大流量移動，小流量效率會降低，大流量效率增加。

（2）隨導葉高度增加，流量-揚程曲線斜率會變緩，駝峰深度會增加，駝峰位置會提前出現。

（3）隨導葉高度增加，整體空化性能變化較小，由于揚程-流量曲線變緩，泵站運行所需范圍會變大，相對空化性能會變差。

（4）從速度場和壓力場分析，不同導葉高度對最優工況流體流動影響較小。