不同葉片安裝角的軸流泵內(nèi)部流動特性分析

施高萍，郭曉梅，陳紅亮

（浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018）

0 引言

軸流泵由于揚程低、流量大，在浙江省大中型泵站中被廣泛應(yīng)用。浙江省的大中型泵站的泵型以700ZLB和900ZLB軸流泵為主，約占總量的2/3[1]。

軸流泵是葉輪流體機械，其內(nèi)部的流動復(fù)雜，是非定常、有旋、不可壓縮的三維湍流流動?，F(xiàn)在，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使用CFD技術(shù)對泵內(nèi)流動進行數(shù)值模擬，探索泵內(nèi)部流動規(guī)律的研究發(fā)展很快，已成為流體機械研究的熱點[2]。

浙江省某排澇泵站建于1962年，設(shè)備老化嚴重，2009年開始實施異地重建。該站初步設(shè)計選用了900 ZLB—100軸流泵，轉(zhuǎn)速n=485 r/min，流量Q=2 m3/s，揚程H=5.4 m，葉輪葉片數(shù)Z1=4，葉輪外徑850 mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=7。筆者利用Navier-Stokes方程和標準的k-ε紊流模型以及SIMPLEC算法，不考慮葉輪室與葉片外緣之間的間隙引起的損失，采用CFD流態(tài)分析技術(shù)分析了不同葉片安裝角下軸流泵葉輪內(nèi)部的流動特性。

在計算中由連續(xù)性方程、動量方程和標準k-ε湍流模型構(gòu)成控制方程組。

1 軸流泵數(shù)值模擬

1.1 計算網(wǎng)格

由于在全流道內(nèi)既有旋轉(zhuǎn)流場又有非旋轉(zhuǎn)流場，所以把計算體分為進水喇叭口區(qū)、葉輪區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和出口彎管區(qū)等4個區(qū)域。其全流道的網(wǎng)格劃分和計算區(qū)域見圖1[3]。

1.2 邊界條件的設(shè)定

（1）進口邊界條件。給定進口絕對速度的大小及方向，具體數(shù)值根據(jù)數(shù)值模擬的工況給定，假定進口邊界上絕對速度為均勻連續(xù)的。即模擬過程中，根據(jù)流量計算進口處的速度（Vin），其值作為迭代的初始值。

圖1 計算區(qū)域及計算網(wǎng)格

式中，A為進水口過流面積，D1為泵進口直徑

（2）出口邊界條件。計算流場的出口設(shè)置在出水彎管的出口，此處的流動認為接近充分發(fā)展流，采用 “出流條件 (outflow)”。

（3）壁面邊界條件。在葉片表面、輪轂等固體壁面上，速度滿足無滑移條件。葉輪選擇旋轉(zhuǎn)坐標系，其旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為n=485 r/min，其他選擇靜止坐標系。

2 內(nèi)部流動特性分析

根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù)，葉片安裝角度一般有+4°、0°和-4°。因此，本文分別對3種不同葉片安裝角度的葉輪進行數(shù)值模擬。

2.1 不同葉片角度下壓力分布圖

在設(shè)計工況下，葉片角度為0°時，得到如圖2所示的葉輪和導(dǎo)葉輪轂的壓力分布圖。

圖2 葉輪和導(dǎo)葉輪轂靜壓分布（0°）

由圖2知，葉輪和導(dǎo)葉表面的壓力分布總趨勢為由小到大，在葉輪和導(dǎo)葉體葉片吸力面局部區(qū)域出現(xiàn)了較低壓力分布情況，其最大壓力出現(xiàn)在導(dǎo)葉輪轂出口處。葉片壓力面的壓力總體上比葉片吸力面的壓力大，葉輪葉片吸力面靠近進口且處在邊緣處有一明顯的低壓區(qū)。這正是葉片上最容易發(fā)生空蝕的位置。

在設(shè)計工況下，葉輪葉片安裝角分別為+4°、0°和-4°時模擬計算得到的葉輪葉片壓力面和吸力面的靜壓分布比較圖如圖3、4所示。

由圖3、4可見，相同安裝角度時，葉片上的壓力面靜壓大于吸力面靜壓，壓力面進水邊出現(xiàn)最大值，吸力面出現(xiàn)低壓情況，低壓區(qū)在靠近葉片的進口邊。分析圖3可知，在葉片安裝角為+4°時，壓力面的靜壓值較0°和-4°的情況要低。由圖4可知，葉片安裝角為+4°時，吸力面處出現(xiàn)了大面積的不連續(xù)低壓區(qū)，意味著在該情況下很容易發(fā)生空蝕；葉片角度為0°時，葉輪吸力面也出現(xiàn)了一定的靜壓區(qū)，主要集中在葉片靠近進口邊的外緣處，但低壓區(qū)的面積已經(jīng)明顯比+4°時有了很大的縮減；當葉片角度為-4°時，只出現(xiàn)了很小面積的低壓區(qū)，可見其抗空蝕性能比前兩種情況有了很大改善。

圖3 葉輪葉片壓力面靜壓分布比較

圖4 葉輪葉片吸力面靜壓分布比較

2.2 不同葉片安裝角下的相對速度分布

在設(shè)計工況下，模擬計算了葉輪葉片安裝角分別為+4°、 0°和-4°時的葉片相對速度（見圖 5）。

由圖5分析知，在3種不同的葉片安裝轉(zhuǎn)角下，葉片的相對速度分布基本上趨于一致。從泵的中間截面看，液體由進口至出口，由于葉片的旋轉(zhuǎn)作用，速度由小變大，經(jīng)過導(dǎo)葉的導(dǎo)流作用，比較流暢地流出出口，速度有變小的趨勢。從葉輪的葉片壓力面和吸力面看，在3種情況下速度分布都是貼著葉片流出：從導(dǎo)葉的葉片吸力面和壓力面看，在0°和-4°時，其速度分布較好，無回流現(xiàn)象，而在+4°時，導(dǎo)葉葉片吸力面處出現(xiàn)了液體回流的現(xiàn)象，造成了一定的水力損失。

圖5 葉輪葉片相對速度分布比較

2.3 不同葉片角度下外特性預(yù)測

軸流泵的流場計算結(jié)束后，可以分別獲得泵進出口的總能量，根據(jù)它們的差值可以預(yù)測泵的揚程H。進口的總能量以進口處的總壓Pin來表示，出口的總能量以出口處的總壓Pout來表示。

預(yù)測的揚程按式（2）計算[4]：

式中， ρ為水的密度；g為重力加速度。預(yù)測得到的揚程見表1。

表1 不同葉片安裝角度下的揚程預(yù)測

由表1可知，葉片安裝角度為-4°時，其揚程為5.76 m，能達到泵站設(shè)計揚程。

通過對軸流泵的內(nèi)部流動特性的分析，建議該泵站軸流泵葉片安裝角度為-4°。

3 結(jié)論

（1）葉輪葉片壓力面的壓力總體上比葉片吸力面的壓力大，并在葉片吸力面靠近進口且在邊緣處有一明顯的低壓區(qū)。葉片在不同的安裝角時，葉片壓力面和吸力面的靜壓值發(fā)生明顯的變化。

（2）葉片安裝角在0°和-4°時，其速度分布較好，無回流現(xiàn)象，而在+4°時，在導(dǎo)葉葉片吸力面處出現(xiàn)了液體回流的現(xiàn)象，造成了一定的水力損失。

（3）根據(jù)揚程計算公式，預(yù)測了葉片在不同安裝角度下的揚程葉片安裝角度為-4°時，其揚程為5.76 m，能達到泵站設(shè)計揚程。通過軸流泵的內(nèi)部流動特性分析，建議該軸流泵葉片的安裝角度為-4°。

（4）本文假定不存在葉輪室與葉片外緣之間的間隙引起的損失，要更準確模擬軸流泵內(nèi)部流場，還應(yīng)考慮這部分損失和這部分間隙對流動的影響。

［1］施高萍，王鶯，崔梁萍.軸流泵在浙江省大中型泵站中的應(yīng)用及改造建議［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報.2009，21（4）:19-25.

［2］王福軍.CFD在水力機械湍流分析與性能預(yù)測中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2005，10（4）:75-90.

［3］施高萍.軸流泵全流道數(shù)值模擬前處理過程分析［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報.2010，22（3）:38-41.

［4］王艷麗.軸流泵運行特性研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).2005.