孔板對帶誘導輪高速離心泵進口段流動特性的影響研究

宋文武，魏立超，石建偉，楊秀鑫，許倩語

(西華大學能源與動力工程學院，成都 610039)

高速離心泵具有轉速高、揚程大、流量小等特點，但是由于其高轉速的原因，在小流量工況下具有不穩(wěn)定性。小流量不穩(wěn)定的主要原因是由于誘導輪進口的回流漩渦、葉輪中的二次流、葉輪流道內的射流等不良現(xiàn)象引起的。其中回流漩渦對高速泵性能的影響非常大，回流漩渦會消耗大量的能量，減少離心泵的效率，從而使高速泵的機組特性曲線出現(xiàn)正斜率上升段，使水泵的機組在小流量工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1-4]。回流漩渦也會導致壓力脈動，加劇水泵內部的汽蝕，從而產(chǎn)生振動和噪聲[5]。所以改善誘導輪進口的回流漩渦，可以有效地提高泵的水力性能。

P.Cooper[6]等提出在誘導輪進口段前加反向穩(wěn)流器，能夠很好地解決進口段的回流問題。張金鳳[7]等提出在進口段加入高壓水流，能夠有效地減弱回流漩渦的強度，但高壓水的注入會在一定程度上對水泵的流場造成不利的影響。Masao Oshima[8,9]提出在誘導輪進口前加孔板的方法來削弱進口段的回流，并通過實驗論證了加孔板可以改善離心泵的汽蝕性能，提高了離心泵在關死點的揚程。郭曉梅[10]等通過正交實驗的方法對GSB-80/300型高速泵進行模擬分析，確定了孔板的最佳位置、孔徑和孔板的厚度。

以上學者只針對1種環(huán)形孔板分析了對水泵中回流漩渦的影響，而改變孔板的形式是否對回流漩渦有進一步的抑制作用，是值得思考的問題。本文初步設計了3種新型孔板，利用數(shù)值模擬軟件對這3種孔板與傳統(tǒng)型孔板進行分析，通過對其內部流動和水力性能的分析，選取出一個最佳的孔板形式。

1 高速離心泵模型建立

根據(jù)某高速離心泵的相關資料，利用三維建模軟件UG建立包括進口段、誘導輪、葉輪、蝸殼、出口段的水體模型，并畫出4種不同孔板形式的進口段，再利用ANSYS-ICEM軟件對高速泵模型進行網(wǎng)格劃分，在ANSYS-CFX軟件中對無孔板和不同形式的4種孔板進行全流場的數(shù)值模擬，分析4種孔板和不加孔板情況下的流線、速度、壓力變化情況，綜合比較各個情況下的水力性能，選擇出最優(yōu)的孔板形式。

高速離心泵的模型包括進口段、誘導輪、葉輪、蝸殼和出口段5個部分(見圖1)，高速泵的基本參數(shù)為流量Q=662 m3/h，揚程H=620 m，轉速n=13 000 r/min，進口段的半徑R=87 mm。其中誘導輪和葉輪的相關參數(shù)見表1。

表1 誘導輪和葉輪參數(shù)Tab.1Parameters of inducer and impeller

郭曉梅[10]運用正交試驗的方法選取了適合GSB-80/300型高速泵的最佳孔板尺寸，通過對比2個模型泵的比轉速，進口段的流速大小和進口段直徑之間的關系，選取了孔板厚度10、15、20 mm 3組數(shù)據(jù)，孔板直徑1.4R、1.5R、1.6R，孔板距誘導輪進口的距離選擇0.92R、1.03R、1.14R。通過正交實驗的方法進行數(shù)值模擬，對比分析不同孔板尺寸對進口段回流漩渦強度的影響，綜合分析其壓力和速度變化情況，比較高速泵的水力效率、揚程和軸功率的變化情況，最終選取了孔板厚度為20 mm，孔板直徑為1.5R，孔板距誘導輪進口距離為1.03R的最有利的一組數(shù)據(jù)組合(R為進口段半徑)。

圖1 高速泵三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the highJspeed pump

朱祖超[11]認為誘導輪和離心輪的進口回流實際上是由于旋轉葉片邊緣處的液流圓周分速度不均勻引起的，是包含垂直于軸面的漩渦和繞流線漩渦的回旋流。史宏超、李意民[12,13]通過公式推導出了回流的機理，進一步驗證了回流是由于軸向速度Vm的減小，流體有更多的時間隨著葉輪作繞軸線的旋轉運動，從而出現(xiàn)一較大的圓周速度分量Vu。較大的圓周速度分量導致葉輪入口壓力分布發(fā)生變化。這種情況不僅使得葉輪入口前的壓力沿半徑方向發(fā)生變化，而且沿軸向也發(fā)生變化，并形成了壓差。只要這種壓差一形成，流體將被迫反向流動，從而形成回流。

在高速離心泵的進口段添加孔板，是為了抑制回流漩渦中垂直于軸面的漩渦，而此漩渦主要集中在誘導輪進口的圓周上，通過添加孔板使輪緣處的回流遇到孔板的阻擋，液流被迫反向，并回到主流，從而抑制了回流漩渦。但是傳統(tǒng)型孔板的截面為長方形，接觸液流的拐角都為直角形設計，在直角處會存在一定量的死水，對于液流的沖擊損失也較大，所以能量有一定的損失，從而影響對進口段回流漩渦的控制效果。為了使進口段的液流流動平順，減少來流的能量損失，并且更好地抑制回流漩渦，設計了幾種拋物線形的孔板裝置，通過類似拋物線形的過渡緩沖，會減少能量的損失，對于回流漩渦的抑制效果會有所提高。利用字母對4種形式的孔板進行命名，A型孔板為圓環(huán)形式，B型孔板為類似拋物線的形式，C型孔板為上半剖拋物線形式，D型孔板為下半剖拋物線形式(見圖2)。

2 模型求解分析

通過ANSYS-ICEM軟件對高速泵和4種不同孔板形式的進口段進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結構化網(wǎng)格，為了使計算結果更加準確，加大了各個部分的網(wǎng)格數(shù)量。葉輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬個，誘導輪的網(wǎng)格數(shù)為288萬個，蝸殼的網(wǎng)格數(shù)為88萬個，不加孔板的情況下網(wǎng)格總數(shù)為975萬個，A型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為985萬個，B型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為989萬個，C型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為1 028萬個，D型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為989萬個。網(wǎng)格無關性分析，取1 020萬個與975萬個網(wǎng)格進行對比分析，高速泵的揚程和效率穩(wěn)定在1.2%和1.1%以內。網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 孔板示意Fig.2 Schematic diagram of the orifice plates

通過Ansys-CFX軟件對高速泵不同形式的孔板模型進行分析，利用三維Navier-Stokes方程和RNGk-ε湍流模型，計算分析高速泵全流道內的湍流流動情況，壓強-速度耦合方法為

圖3 網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic diagram of grid division

SIMPLEC算法。

壁面邊界條件設置：誘導輪和葉輪的壁面定義為旋轉邊界，其轉速為泵的轉速，其他定義為無滑移邊界條件。進口邊界條件采用總壓的設置，總壓采用靜壓+動壓的設置，出口采用質量流速作為出口的邊界條件。壓力項采用二階中心差分格式，其他項采用采用二階迎風差分格式。殘差設置為10-4。

3 模擬結果及分析

3.1 進口段分析

通過進口段與誘導輪的流線可以看出，不加孔板時的回流漩渦范圍很大，進口段的流動比較混亂，回流漩渦主要集中在誘導輪的進口處(見圖4)。加了孔板之后，回流漩渦主要被控制在孔板與誘導輪進口之間，大大縮短了回流漩渦影響的范圍。

圖4 不同形式孔板的流線Fig.4 Streamlines of different orifice plates

不同形式孔板之間進行比較分析，A型孔板能夠控制回流漩渦，使回流漩渦在擋板與誘導輪進口之間進行周向旋轉，但其液流旋轉的速度比較高，對誘導輪的內流場有一定的影響；B型孔板能夠有效的控制回流漩渦，使其控制在一定的范圍內，并且其液流的速度與誘導輪的進口速度相吻合，誘導輪的流線順暢沒有不良的漩渦，對誘導輪的流場影響也較??；C型和D型孔板的流線情況與B型孔板基本一致，流線順暢，誘導輪的整體流動平穩(wěn)。

為了觀察回流漩渦的內部情況，在進口段沿著軸線切一個平面進行內部漩渦的觀察分析。從速度矢量圖可以看出(見圖5)，在不加孔板的情況下回流漩渦流動混亂不穩(wěn)定，漩渦的數(shù)量也很多，并且漩渦在進口段的影響范圍比較大。從速度矢量圖可以大概觀察到回流產(chǎn)生的過程，由于誘導輪的葉輪旋轉對液流產(chǎn)生了不均勻的作用力，使其有一部分液流回流，并帶動主流進行旋轉運動，從而形成回流漩渦。

加了孔板之后，漩渦控制在一定的范圍內，軸線周圍上的液流流動順暢沒有漩渦，漩渦主要集中在進口段的圓周上。4種孔板進行對比分析，對漩渦的控制都有一定的效果，但在A的內部還存在少量的軸向漩渦，直角處還有一小部分死水；其他3種孔板對回流漩渦控制較好，基本消除了軸向的漩渦，液流主要繞軸線進行圓周運動。綜合分析，B型、C型和D型擋板對回流漩渦的控制效果要好于A型孔板。

選擇孔板與誘導輪進口之間的幾個截面(見圖6)，觀察軸面漩渦的變化情況。在距離誘導輪進口20、50、80 mm處，垂直于軸線的3個平面，查看橫截面方向上的漩渦變化情況。無孔板的情況下，3個截面的渦旋比較多，隨著距離的減小漩渦的強度越來越大，影響范圍越來越廣。加了孔板之后中心的漩渦得到了有效控制，各個截面的漩渦數(shù)量和影響范圍都有所減小。

圖5 不同孔板形式的進口段速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors at the suction connection with different orifice plates

圖6 不同孔板形式的截面Fig.6 The cross-section of different orifice plates

A型孔板對軸面中心處的漩渦有所改善，中心部分的漩渦明顯減少，但在20和50 mm處的截面還存在漩渦，而且此漩渦強度還比較大。從B、C、D型孔板的橫截面可以看出，其控制漩渦的效果要優(yōu)于A型孔板，在50mm和80mm的截面中心區(qū)域基本沒有不良的漩渦存在，只在20 mm截面處存在微小的漩渦。從80 到20 mm，從沒有漩渦到有了漩渦，而且漩渦強度也在不斷加大。

通過對進口段液流的分析，比較了4種不同形式孔板對回流漩渦的影響，其中A型孔板對回流漩渦有一定的控制作用，但其流道內還會有部分不良流動的漩渦存在，對整體的流場造成不利的影響。而其他3個孔板對回流漩渦控制效果要優(yōu)于A型孔板。

3.2 誘導輪分析

回流漩渦的大小會對誘導輪的葉輪產(chǎn)生影響，由于回流漩渦的水力損失，使誘導輪葉輪進口前緣處產(chǎn)生了一小部分低壓區(qū)，增加了發(fā)生空蝕的幾率。

觀察不同孔板形式下的誘導輪靜壓變化情況(見圖7)，從誘導輪的整體壓力來看，誘導輪的壓力從進口到出口是一個逐漸增加的過程，說明誘導輪起到了一個加壓的作用。觀察誘導輪吸力面的壓力，從進口到出口壓力逐漸變大，其中在誘導輪葉輪進口前緣處存在一小部分的低壓區(qū)，此低壓區(qū)的存在會增加其發(fā)生汽蝕的幾率；壓力面的壓力變化是從輪轂到輪緣逐步增大，沒有不良的低壓區(qū)域。

加了孔板之后，葉輪進口前緣處的低壓區(qū)域明顯減小，說明孔板控制了回流漩渦，對誘導輪葉輪壓力是有影響的，從而進一步說明回流漩渦是產(chǎn)生誘導輪進口低壓的重要因素。4種不同形式的孔板進行比較，A型孔板對葉輪進口前緣處的低壓區(qū)有控制作用，但是在葉輪的中部出現(xiàn)了一小塊低壓區(qū)，增加了此處發(fā)生空蝕空化的幾率。B型孔板對于葉輪前緣處的低壓區(qū)控制效果與A型孔板基本一致，但其葉輪中部并沒有不良的低壓區(qū)域，相比較A型孔板，B型孔板對誘導輪低壓區(qū)的控制效果要好于A型孔板，C型與D型孔板的效果與B型孔板基本一致。

圖7 誘導輪輪葉壓力分布Fig.7 Pressure distribution in the inducer

在誘導輪的軸面上切一個平面(見圖8)，此平面處在誘導輪進口前緣處，因為回流漩渦主要產(chǎn)生在誘導輪的進口前緣處，主要觀察誘導輪內部的液流變化情況，分析不同形式的孔板對誘導輪內部流場的影響。

圖8 誘導輪截面Fig.8 The cross-section of the inducer

通過觀察誘導輪內部速度矢量圖(見圖9)，在不加孔板的情況下，誘導輪進口處的圓周上會有回流漩渦的影響，其中流道內靠近輪轂處也有小部分的漩渦。加了孔板之后誘導輪進口處的回流漩渦明顯減小。A型孔板對于進口處回流漩渦的控制效果最明顯，很大的減弱了進口處的漩渦強度，但其在誘導輪的流道和出口處會有小部分漩渦的存在，影響了誘導輪整個流場的平穩(wěn)流動。B型孔板對誘導輪進口處的回流漩渦有控制作用，與A型孔板相比對進口處回流漩渦的控制稍微差一點，但其流道內沒有不良的漩渦存在，液流流動順暢，變化均勻。C型、D型孔板與B型孔板的速度矢量圖基本類似，對漩渦的控制都有一定的效果。

圖9 誘導輪橫截面速度矢量Fig.9 Velocity vectors at the cross-section of the inducer

綜上所述，4種孔板形式對誘導輪葉輪進口前緣處的低壓區(qū)都有控制作用，相比較之下B型、C型和D型孔板對整個誘導輪葉輪的低壓區(qū)有較好的改善作用；分析對誘導輪內部流場的影響，A型孔板對誘導輪進口處的回流漩渦有較好的控制作用，但其誘導輪的內部流動存在小部分的漩渦帶，對整個流場有一定的影響，而B型、C型與D型孔板雖然對誘導輪進口處的漩渦控制效果沒有A型孔板好，但其誘導輪內部流動順暢，沒有不良的漩渦，整個流場的流動均勻平穩(wěn)。

3.3 高速泵性能分析

根據(jù)高速泵的揚程和效率計算公式，計算得到此高速泵的性能曲線。

從揚程曲線(見圖10)可以看出，無孔板和有孔板的規(guī)律一致，隨著流量的增加揚程呈現(xiàn)一個下降的趨勢。加孔板與不加孔板時的揚程有一定的變化，在設計工況點時，A型、C型孔板與不加孔板的揚程相差10 m左右，B型與D型孔板的揚程下降明顯；在0.6Qd時，C型孔板的揚程要高于A型孔板13 m；在大流量工況下，不加孔板的揚程要高于加了孔板的揚程，說明大流量下孔板有減小高速泵揚程的作用。

圖10 揚程流量曲線Fig.10 Curve of flow-head

觀察效率曲線(見圖11)能夠看出，效率隨著流量的增加呈現(xiàn)先是增加后下降的趨勢，在設計工況點附近效率達到了最大值。4種孔板形式都有提升高速泵效率的作用，說明加了孔板之后是有利于改善高速泵的水力性能。4種不同形式的孔板進行比較，在設計工況點下，A型和C型孔板效率提高將近5%，A型與C型孔板之間的效率相差0.3%，B型與D型孔板效率也提高了4%。在小流量工況下，加孔板之后，效率有明顯的提升；在大于1.2Qd時，C型孔板的效率要高于其他3種孔板，在1.4Qd時C型孔板高出A型孔板2.2%，所以在大流量的情況下C型孔板具有明顯的優(yōu)勢。

圖11 效率流量曲線Fig.11 Curve of flow-efficiency

4 結 語

(1)通過對進口段的流線、速度矢量和不同截面的流動情況的分析，比較不同孔板之間對回流漩渦的控制效果。A型孔板雖然對回流漩渦有一定的控制作用，但其在進口段還存在少量軸向和徑向的漩渦，并且對誘導輪的外流場有不良的影響；B型、C型和D型對回流漩渦的控制良好，內部漩渦減弱明顯，流動順暢，對于誘導輪的整個流場影響較小。

(2)對比分析誘導輪壓力和速度矢量變化情況，4種孔板對于誘導輪進口前緣的低壓區(qū)和回流漩渦都有明顯的控制效果，但A型孔板在輪葉中部存在小部分的低壓區(qū)，增加其發(fā)生空蝕空化的幾率，并且誘導輪內部有少許的渦團存在，會對誘導輪的內部流動有一定的影響，綜合比較，B型、C型和D型孔板要優(yōu)于A型孔板。

(3)通過對高速泵揚程曲線的分析，在小流量到設計流量的情況下，C型孔板對揚程的提高有一定的作用，在大流量情況下，不加孔板時的揚程更高，所以要想獲得比較高的揚程，要綜合考慮孔板的形式。效率曲線分析，在小流量的工況下，A型孔板的效率要略高于C型孔板；在設計工況點，A型和C型的效率相差甚微；而在大流量的工況下C型孔板對于提高效率的優(yōu)勢更明顯。

通過對進口段、誘導輪和高速泵水力性能的綜合對比分析，C型孔板在各個方面的優(yōu)勢要高于傳統(tǒng)A型孔板。

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