串列葉片技術在離心泵中應用的數(shù)值研究

田新文

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

串列葉片技術在離心泵中應用的數(shù)值研究

田新文

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

將離心壓縮機葉輪的串列葉片技術應用于低比轉(zhuǎn)速離心泵，通過對2種葉輪的數(shù)值模擬計算分析，從流動而言，葉輪出口速度分布更加平穩(wěn)，弱化射流-尾跡結(jié)構(gòu)；從性能而言，整個運行范圍內(nèi)，揚程略減小，從而使H-Q曲線斜率平緩。

低比轉(zhuǎn)速離心泵；串列葉片；射流-尾跡；數(shù)值模擬

低比轉(zhuǎn)速高速離心泵具有轉(zhuǎn)速高、流量小、揚程高的特點，主要應用于化學工業(yè)、煉油、冶金、制藥、輕工以及航空航天等領域。但由于葉輪結(jié)構(gòu)外徑大、出口寬度小、流道狹長等特點，實際應用中存在下列問題：揚程-流量性能特性曲線易出現(xiàn)駝峰，軸功率曲線呈現(xiàn)正斜率上升，電機易出現(xiàn)過載；小流量工況下進口易產(chǎn)生回流，葉輪流道出口易產(chǎn)生射流-尾跡結(jié)構(gòu)以及流動分離等現(xiàn)象，水流紊亂減少泵的效率，降低泵的穩(wěn)定性[1]。

針對上述問題，國內(nèi)外一些學者在傳統(tǒng)設計的基礎上，提出了一些新的方法，如采用加大流量設計方法、增加葉片數(shù)和較大的葉片包角、利用長短葉片相結(jié)合的復合葉輪，邊界層吹風技術、葉片開縫技術等[2-5]，這些方法均是對單列葉柵進行改形，在一定程度上緩解了葉輪出口流態(tài)差的問題，仍存在一定的局限性[2-3，6]。串列葉片離心葉輪由雙列相互錯位的葉片構(gòu)成，前列葉片進行導流與葉道分流，后列葉片能夠調(diào)整水流的周向均勻性，改善葉輪出口流場的流態(tài)，提高離心葉輪的性能[7-9]，在離心式氣體壓縮機葉輪設計上已得到采用。雖然液體和氣體在密度和彈性模量上存在差異，但不同工作介質(zhì)的流體機械在設計理論上存在相同之處，本文借鑒串列葉片技術的優(yōu)點，將該方法應用于低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪上，有望提高該類型離心泵葉輪出口流動性及水泵性能穩(wěn)定性。

1 模型及網(wǎng)格

計算模型采用某型號化工離心泵，該泵葉片為后彎式圓柱形葉片，包角為120°，壓水室為螺旋形，主要參數(shù)見表1。串列葉片的結(jié)構(gòu)是將原葉輪葉片出口邊切割適當長度，在葉道內(nèi)周向偏移至合適位置，原離心葉輪與葉片切割偏轉(zhuǎn)后的串列葉輪幾何模型見圖1。

表1 離心泵主要設計參數(shù)

圖1 葉輪的幾何模型示意

葉輪、蝸殼、以及進出口管道使用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了使交界面信息傳遞精確，網(wǎng)格劃分時盡量使節(jié)點分布的相匹配?？紤]到隔舌部位流動的復雜性，對隔舌附近網(wǎng)格進行加密處理[11]。串列式葉輪劃分網(wǎng)格的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3為串列式葉輪劃分的網(wǎng)格及局部放大圖，葉片表面設置了邊界層。

圖2 串列葉輪的拓撲結(jié)構(gòu)示意

圖3 串列葉輪所用的網(wǎng)格及局部放大示意

2 求解設置

流體控制方程采用有限體積法離散，湍流模型選用k-e兩方程模型。計算條件進口采用恒定流量入流，出口采用恒定壓力，原因在于葉輪內(nèi)部存在回流時，壓力出口條件具有較好的收斂效果[12]。靜止域和轉(zhuǎn)動域采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子的連接方法，定常計算收斂標準最大殘差值為10E-4。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 外特性對比分析

通過數(shù)值計算，2種葉片式離心泵的H-Q和η-Q性能曲線如圖4所示。離心泵采用串列葉片技術使得H-Q性能曲線并未出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，曲線斜率變化平穩(wěn)，電機負荷不發(fā)生突變，提高了泵組運行的穩(wěn)定性，而不利之處是水泵揚程略有所降低；其次，水泵在0.6倍到1.2倍的設計流量下，串列葉片式離心泵效率基本未發(fā)生改變，而在其他工況，效率下降較快。

圖4 水泵性能曲線比較示意

3.2 葉輪內(nèi)部速度分布對比分析

離心泵在設計工況下葉輪內(nèi)部不同葉高的速度分布云圖如圖5所示，對不同葉片形式下葉輪出口流速做了對比，對于普通后彎式葉輪，在不同葉高方向上葉輪出口的速度分布變化較小，出口靠近壓力面流速較大，明顯的射流現(xiàn)象存在。在吸力面附近，流速較小。而在葉輪的進口附近，不同高度的速度分布存在較大變化，流速從后蓋板至前蓋板呈現(xiàn)遞減趨勢。相對而言，串列葉片式離心泵葉輪出口的速度分布均勻性更好，無明顯的射流尾跡結(jié)構(gòu)，主要原因在于前列葉片夾縫位置強烈的射流流體與后置葉輪出口吸力面的低速流體相混摻，引起葉輪出口壓力面附近流速降低，吸力面流速增加。

圖5 葉輪內(nèi)不同葉高處速度分布(圖中坐標Velocity表示水流速度)

3.3 出口速度對比分析

普通葉輪出口與串列葉片出口徑向速度的分布如圖6與圖7所示，各流道內(nèi)從壓力面到吸力面的徑向速度整體呈現(xiàn)下降趨勢，但流道出口中間位置的速度存在波動，尤其隔舌位置的出口位置徑向速度波動較大，而由于隔舌對稱位置無隔舌干擾的緣故，出口速度波動明顯減弱。2種葉輪出口速度相比較，串列葉片葉輪出口徑向速度波動幅值減小，分布得以明顯改善，對葉輪中間流體影響較大，沿周向速度分布更加平穩(wěn)。

不同葉高方向上串列葉片葉輪與普通葉片葉輪徑向速度的大小如表2所示，在靠近隔舌的斷面，普通葉片離心葉輪出口的最大速度為13m/s，而串列葉片式離心葉輪出口的最大速度僅為6.1 m/s；在隔舌對稱位置的斷面，普通葉輪和串列式葉輪的最大速度分別為8.09 m/s和4.26 m/s，串列葉片葉輪的徑向最大速度大約減小了原來的1/2，同時各流道的最小速度也有所增加。由此可知，串列葉片能夠有效降低葉輪壓力面出口附近的射流作用，同時出口靠近吸力面的尾跡區(qū)也得到改善，這對低比轉(zhuǎn)速高速離心泵出口射流-尾跡結(jié)構(gòu)的消除十分有利。

圖6 普通葉輪出口不同葉高上的徑向速度分布

圖7 串列葉片葉輪出口不同葉高上的徑向速度分布

表2 不同形式葉輪出口徑向速度大小比較

4 結(jié)語

1) 低比轉(zhuǎn)速高速離心泵采用串列葉片技術消除H-Q曲線存在的駝峰現(xiàn)象，揚程一定程度的下降；設計流量下，離心泵效率基本無變化。

2) 串列葉片式離心泵葉輪出口的速度分布比后彎葉片離心泵葉輪出口的速度分布平穩(wěn)，射流—尾跡結(jié)構(gòu)明顯得到改善。

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(本文責任編輯 王瑞蘭)

Numerical Analysis of Tandem Blade Technique in Centrifugal Pump

TIAN Xinwen

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute， Guangzhou 510635，China)

In this paper，tandem blade technique is used in centrifugal compressor impeller for low specific speed centrifugal pump. Numerical simulation and analysis on ordinary impeller centrifugal pump and tandem blade centrifugal pump are made：the radial velocity of the outlet of tandem impeller r is more stable, “jet-wake” structure is weakened；the head is decreasing, and the slope ofH-Qcurve is gentle.

low specific speed centrifugal pump; tandem blade; jet-wake; numerical simulation

2016-11-01;

2016-11-10

田新文(1983)，男，碩士，工程師，主要從事水力機械選型及數(shù)值研究工作。

TH311

：A

：1008-0112(2016)012-0042-05