半螺旋吸入室隔舌形狀對(duì)葉輪吸入性能的影響

張　濤，吳應(yīng)德，馬柏青，楊德旭

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學(xué)泵工程技術(shù)中心，甘肅　蘭州　730030；2.甘肅省流體機(jī)械（泵）節(jié)能工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅　蘭州　730030）

?

半螺旋吸入室隔舌形狀對(duì)葉輪吸入性能的影響

張濤1，2，吳應(yīng)德1，2，馬柏青1，2，楊德旭1，2

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學(xué)泵工程技術(shù)中心，甘肅蘭州730030；2.甘肅省流體機(jī)械（泵）節(jié)能工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730030）

摘要：為了研究半螺旋吸入室隔舌對(duì)葉輪進(jìn)口介質(zhì)流動(dòng)的影響，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，Reynolds時(shí)均化，湍流模型采用RNGk-ε模型，速度、壓力耦合用SIMPLEC算法，對(duì)三種隔舌方案進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到葉輪進(jìn)口處的速度場(chǎng)，并對(duì)其進(jìn)行分析。將其中流動(dòng)狀態(tài)最好的一種方案進(jìn)行真機(jī)性能試驗(yàn)，并與CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：半螺旋吸入室隔舌與葉輪進(jìn)口邊的距離影響葉輪的吸入性能；當(dāng)該距離較遠(yuǎn)時(shí)葉輪進(jìn)口處速度分布均勻，進(jìn)口流動(dòng)預(yù)旋較大，泵的揚(yáng)程較低；當(dāng)該距離較近時(shí)隔舌部位產(chǎn)生明顯的漩渦，介質(zhì)圓周速度周向分布波動(dòng)大，預(yù)旋不明顯，揚(yáng)程相對(duì)較高；通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果，為吸入室設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：離心泵；半螺旋吸入室；隔舌

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.01.007

0　引言

離心泵吸入室主要分為半螺旋吸入室、直錐型吸入室以及環(huán)形吸入室，其中半螺旋吸入室的設(shè)計(jì)較另外兩種復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)半螺旋吸入室的設(shè)計(jì)做了大量的研究，穆界天[1]提出了通過設(shè)計(jì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)面和一個(gè)柱面的方法來光順吸入室流道的半螺旋吸入室設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[2]提出半螺旋吸入室截面高度系數(shù)以及斷面與葉輪吸入眼的面積比范圍；高章發(fā)[3]等通過統(tǒng)計(jì)29種優(yōu)秀的水力模型從而提出了半螺旋吸入室關(guān)鍵截面的計(jì)算系數(shù)；劉厚林[4]等提出利用CAD技術(shù)通過開發(fā)軟件而設(shè)計(jì)半螺旋吸入室的方法。除了這些設(shè)計(jì)方法還有通過CFD優(yōu)化技術(shù)對(duì)已設(shè)計(jì)好的吸入室進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算優(yōu)化的方法。但是，以上這些設(shè)計(jì)方法中都未討論半螺旋吸入室中隔舌形狀的設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外關(guān)于半螺旋吸入室隔舌形狀的研究也相對(duì)較少。

為了研究半螺旋吸入室隔舌形狀對(duì)葉輪吸入性能的影響，從而降低離心泵汽蝕余量以及提高泵的效率，筆者將通過一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例及CFD技術(shù)進(jìn)行研究并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　模型的建立

1.1設(shè)計(jì)參數(shù)及方案

以一個(gè)參數(shù)為Q=3 200 m3/h、H=39 m、n=1 492 r/min的單級(jí)雙吸離心泵為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)以下三種吸入室隔舌，由于隔舌形狀的不同，所以分別修正吸入室輪廓，以保證三種方案相對(duì)應(yīng)的過流面積完全相等。這三種隔舌形式為半螺旋吸入室中最常見的三種方案，如圖1。隔舌分別與葉輪進(jìn)口邊的距離不同，方案1最遠(yuǎn)，方案3最近。

圖1　三種隔舌方案

圖2　三種隔舌方案三維模型

1.2計(jì)算域模型建立

圖2為三種不同隔舌方案的三維模型，為了全面地反映隔舌的影響，對(duì)該泵進(jìn)行全流場(chǎng)CFD計(jì)算，三個(gè)隔舌設(shè)計(jì)方案與同一個(gè)葉輪及壓出室相配合計(jì)算，如圖3所示。

2　網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算

2.1網(wǎng)格劃分

對(duì)吸入室、葉輪、壓出室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用WORKBENCHD劃分適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終得到的網(wǎng)格數(shù)如表1所示，為了更好地反映半螺旋吸入室隔舌部位的流動(dòng)細(xì)節(jié)，對(duì)該部位網(wǎng)格進(jìn)行加密。

表1　過流部件網(wǎng)格數(shù)

2.2數(shù)值計(jì)算

計(jì)算采用RNG k-ε湍流模型，速度壓力耦合方式采用SIMPLEC算法，速度進(jìn)口、自然出流、吸入室與葉輪及葉輪與壓出室的耦合面采用interior進(jìn)行耦合。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

3.1葉輪進(jìn)口處的流場(chǎng)

為了掌握吸入室流動(dòng)對(duì)葉輪流場(chǎng)的影響，主要討論吸入室出口也就是葉輪進(jìn)口處的流場(chǎng)分布。

3.1.1壓力分布

圖4為設(shè)計(jì)工況下葉輪進(jìn)口截面的壓力云圖。有圖可以看出方案1和方案3壓力分布不均勻，梯度明顯，在同一半徑處呈現(xiàn)周期變化，但是壓力數(shù)值差值不大。而方案2則壓力分布較均勻，梯度不是很明顯。

圖4　.不同方案葉輪進(jìn)口截面處的壓力分布

3.1.2速度分布

為了更清楚地分析葉輪的進(jìn)口處的速度場(chǎng)，將介質(zhì)在此處的空間速度分解為垂直于葉輪進(jìn)口的軸面速度與在該平面繞軸心的圓周速度。圖5、圖6分別為圓周速度與軸面速度的矢量圖，從圖5中可以明顯直觀看到方案1葉輪進(jìn)口處的介質(zhì)四分之三區(qū)域圓周速度明顯且速度梯度不大，與理論相吻合。由于隔舌與葉輪進(jìn)口邊之間的環(huán)形流道空間較其他兩種方案軸向尺寸長(zhǎng)，所以圓周速度較其他兩種方案大且均勻。從方案1到方案3，隨著隔舌與葉輪進(jìn)口邊的空間不斷減小，隔舌對(duì)葉輪進(jìn)口處介質(zhì)流動(dòng)的影響也在逐漸加強(qiáng)，由圖5中可以看出方案2中隔舌部位形成了局部漩渦，方案3存在明顯圓周速度的介質(zhì)只占到該區(qū)域的二分之一，且速度梯度變化較其他兩種方案劇烈。所以說方案1葉輪進(jìn)口處的流體介質(zhì)預(yù)旋明顯，方案3預(yù)旋較輕，而方案2則相對(duì)適中。由圖6可以看出軸面速度的分布方案2較其他兩種方案均勻，而方案1與方案3則軸面速度分布不均勻，使得葉輪內(nèi)葉片間吸入的流量不均勻，葉片所受到的負(fù)荷就不均勻，進(jìn)而有可能誘發(fā)泵的振動(dòng)等問題的出現(xiàn)。

圖5　不同方案葉輪進(jìn)口截面處的圓周速度分布

圖6　不同方案葉輪進(jìn)口截面處的軸面速度分布

3.2性能預(yù)測(cè)

對(duì)三種方案流量0.8Q至1.2Q進(jìn)行性能計(jì)算，得到泵的揚(yáng)程、效率隨流量變化的圖如圖7及表2。由圖表看出，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，方案3的揚(yáng)程最高，而方案1的揚(yáng)程最低，這與上文中關(guān)于速度場(chǎng)的分析相吻合。由于葉輪進(jìn)口處的預(yù)旋強(qiáng)度的不同，使得兩種方案的揚(yáng)程相差了1.1 m，而在泵的小流量工況下即0.8Q，揚(yáng)程差更大，達(dá)到了1.7 m。由圖還可看出在設(shè)計(jì)點(diǎn)，方案2的效率最高，高于方案3約1.4%，在泵的大流量1.2Q時(shí)，效率差更大，比方案1高2%。

表2　三總方案的設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算值

綜上，雖然三種方案之間的揚(yáng)程以及效率的差別不大，但是半螺旋吸入室常應(yīng)用于雙吸泵，而在大型雙吸泵中，流量可以達(dá)到30 000 m3/h，功率可達(dá)6 000 kW，泵能提高的效率是相當(dāng)可觀的，對(duì)節(jié)能減排具有重要的意義。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

通過數(shù)值計(jì)算分析，選取效率最高的方案2進(jìn)行樣機(jī)制作，并真機(jī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖8，試驗(yàn)的結(jié)果曲線如圖7。從試驗(yàn)結(jié)果看，設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程的數(shù)值計(jì)算誤差為2.6%，效率誤差為1.2%，以上誤差均在較小的范圍內(nèi)，說明CFD技術(shù)對(duì)半螺旋吸入室隔舌對(duì)流動(dòng)影響的計(jì)算可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的重要參考。

圖7　三種方案計(jì)算曲線以及真機(jī)試驗(yàn)曲線

圖8　真機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5　結(jié)論

通過對(duì)半螺旋吸入室三種隔舌方案的CFD數(shù)值計(jì)算分析以及真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）半螺旋吸入室隔舌的形狀可以影響泵葉輪進(jìn)口處的流場(chǎng)分布進(jìn)而影響葉輪的吸入性能以及泵的外特性。隔舌與葉輪進(jìn)口距離的遠(yuǎn)近是影響葉輪進(jìn)口處流場(chǎng)的重要因素之一，當(dāng)該距離較遠(yuǎn)時(shí)葉輪進(jìn)口處速度分布均勻，進(jìn)口流動(dòng)預(yù)旋較大，泵的揚(yáng)程較低；當(dāng)該距離較近時(shí)隔舌部位產(chǎn)生明顯的漩渦，介質(zhì)圓周速度周向分布波動(dòng)大，預(yù)旋不明顯，揚(yáng)程相對(duì)較高。

（2）CFD數(shù)值計(jì)算技術(shù)是研究半螺旋吸入室內(nèi)流體介質(zhì)流動(dòng)規(guī)律的重要手段之一，計(jì)算結(jié)果可行度高，并且指導(dǎo)半螺旋吸入室隔舌的形狀設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］穆界天.雙吸泵吸水室的畫法［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987 （02）.

［2］李文廣.工業(yè)用離心泵設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］高章發(fā)，龐偉.半螺旋形吸入室的設(shè)計(jì)和計(jì)算［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，19（5）.

［4］劉厚林，王凱，談明高，等.半螺旋形吸水室水力設(shè)計(jì)CAD軟件開發(fā)［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，26（2）.

［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介：張濤（1965-），男，漢族，甘肅張掖人，研究生，工程師，主要研究方向：水力機(jī)械及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-1-4

中圖分類號(hào)：TH311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A