基于CFturbo和SolidWorks的螺旋離心泵設計方法研究

（江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

符號說明：

Q——流量，m3/h；

H——揚程，m；

n——轉速，r/min；

ns——比轉速；

Ds——吸入口直徑，mm；

D2——葉輪外徑，mm；

D3——蝸殼基圓直徑，mm；

L——葉輪軸向長度，mm；

b2——出口寬度，mm；

b3——蝸殼入口寬度，mm；

dh——入口端輪轂直徑，mm；

α1——輪緣側葉片傾角，（°）；

α2——輪轂側葉片傾角，（°）；

α3——葉輪出口邊傾角，（°）；

β1，sh——輪緣側進口安放角，（°）；

β2，sh——輪緣側出口安放角，（°）；

β1，hu——輪轂側進口安放角，（°）；

β2，hu——輪轂側出口安放角，（°）；

φ——葉片包角，（°）；

As——蝸殼第Ⅷ斷面面積，mm3。

0 引言

螺旋離心泵于20世紀60年代由Martin sthale發(fā)明，最早用于港口輸送活魚，現(xiàn)主要應用于造紙、煤炭、環(huán)保、礦山以及航空等領域，并且應用領域不斷擴大。它是一種將螺旋泵和離心泵相結合的高效雜質泵，葉輪前半段為螺旋段，位于吸水室內，呈容積泵特征；葉輪后半段為離心段，位于蝸殼內，呈離心泵特征。其具有陡降的揚程曲線和平坦的效率曲線，且高效區(qū)較為寬廣，效率要比離心式雜質泵和旋流式旋流泵高，稍低于普通離心泵[1]。

螺旋離心泵與普通離心泵的本質區(qū)別在于葉輪結構不同，其具有的單葉片的結構特征優(yōu)勢在于其良好的性能曲線，無阻塞性和抗纏繞性，對輸送介質的無損性和良好的抗汽蝕能力。但到目前為止對螺旋離心泵的設計 無論從理論方面還是從經(jīng)驗方面都還遠沒有達到設計普通離心泵的水平[2]。原因在于該種泵缺點是其水力平衡性較差，這導致運行時葉輪徑向力過大，產(chǎn)生較大的振動和噪聲。同時其內部流動機理十分復雜，單葉片對流體的約束力不強，在葉片根部和進口處吸力面上始終存在脫流現(xiàn)象[3]。

螺旋離心泵主要設計方法有方格網(wǎng)保角變換法和螺旋線方程推導法。方格網(wǎng)保角變換法可以精確控制流道面積變化規(guī)律以及進出口安放角等參數(shù)，但在流線分點時會耗費大量的精力和時間，特別是在繪制進口邊的時候該位置的分點會十分密集，繪型難度較大。螺旋線方程推導法直接使用螺旋線方程描述葉片型線，這種方法更快，但是使用螺旋線方程推導法設計的葉輪較難精確地控制流道面積變化趨勢，方程推導較為復雜。到目前為止，螺旋離心泵的設計方法無論從理論還是經(jīng)驗方面來說，都遠未達到普通離心泵設計的水平。

CFturbo主要用于旋轉機械的設計，它只需要根據(jù)一些基本的設計參數(shù)就可以根據(jù)內置的經(jīng)驗函數(shù)來生成所需的實體，用戶還可以根據(jù)自己的經(jīng)驗進行更改[4-6]。目前CFturbo沒有螺旋離心泵設計模塊，因此無法對螺旋離心泵進行完整設計，不過CFturbo具有可以自由地控制葉輪軸面形狀，且不用對軸面流線進行分點，通過調節(jié)流線曲線函數(shù)便能直接控制整個流面形狀等優(yōu)勢，因此本文利用該優(yōu)勢對螺旋離心泵葉輪，特別是葉片型線進行初步設計，然后導出曲線數(shù)據(jù)至SolidWorks重建葉片曲面并進一步設計和完善葉輪結構，獲取完整的葉輪模型。

1 主要幾何參數(shù)確定

1.1 葉輪主要參數(shù)的確定

本文使用螺旋離心泵設計經(jīng)驗公式對葉輪結構的主要參數(shù)進行計算。螺旋離心泵葉輪的軸面結構以及主要幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 葉輪軸面投影

1.2 設計經(jīng)驗公式

通過對比朱榮生統(tǒng)計得到的葉輪幾何參數(shù)經(jīng)驗公式[7]和何希杰推導的葉輪幾何參數(shù)公式[8]，本人通過設計經(jīng)驗總結，對他們的公式進行總結和修改，公式如下：

（1）輪轂直徑dh

（2）吸入口直徑Ds

（3）葉輪外徑D2

（4）葉輪軸向長度L

（5）出口寬度b2

（6）葉輪出口邊傾角α3

（7）輪緣側出口安放角β2，sh

（8）輪轂側出口安放角β2，hu

其他的結構的主要幾何參數(shù)較難通過經(jīng)驗函數(shù)進行總結，需要依據(jù)實際情況取值，取值范圍如下：α1=53°～65°，α2=56°～65°，β1，sh=13°～16°，φ =510°～630°。

1.3 壓水室主要參數(shù)的確定

本文參考一般雜質泵壓水室的設計方法進行設計[9]，參數(shù)公式這里不再贅述。

2 設計實例

2.1 性能參數(shù)

根據(jù)下列參數(shù)對螺旋離心泵進行水力設計，性能參數(shù)為：Q=150 m3/h，H=15 m，n=1 480 r/min，ns=147。

2.2 結構參數(shù)計算結果

葉輪和蝸殼的主要幾何參數(shù)計算結果見表1。

表1 螺旋離心泵幾何參數(shù)

2.3 基于CFturbo的葉輪和壓水室初步設計

2.3.1 葉輪軸面投影圖

進入CFturbo Pump模塊，輸入葉輪的結構參數(shù)后對葉輪軸面結構進行設計。輪緣和輪轂皆使用Bézier曲線繪制，通過控制節(jié)點位置及其曲率的方法對輪廓進行調節(jié)，確保過流斷面過渡順暢。通過研究發(fā)現(xiàn)適當減小葉片進口邊傾角可以一定程度上抑制螺旋離心泵葉輪進口的預旋[10]，提高能量轉化效率，但傾角過小會影響影響葉輪的通過性，并影響葉輪內部流動，因此本文將進口邊傾角設置為60°。軸面結構如圖2所示。

圖2 葉輪軸面投影

設計完葉輪軸面結構后，進入流面設計模塊對葉片曲面進行設計，葉片流線的曲線如圖3所示。由于本文未對葉輪中間流面進行劃分，葉片骨線為直線，只調節(jié)輪轂和輪緣兩側流線的控制曲線節(jié)點曲率，這里的控制曲線依舊為Bézier曲線，控制曲線如圖4所示。

圖3 安放角曲線

圖4 安放角控制曲線

本文研究過程中設計多種安放角曲線形狀，對比不同安放角曲線對水力性能的影響，認為使用前端平坦后端陡降的 βhu曲線，葉輪的流道過渡更符合流動規(guī)律。安放角曲線如圖5所示，初始葉輪的形狀如圖6所示。

圖5 實際安放角曲線

圖6 初始葉輪形狀

2.3.2 蝸殼水力模型

蝸殼參照普通離心泵蝸殼設計，蝸殼斷面為梨形斷面，外形采用螺旋式。蝸殼水力模型如圖7所示。

圖7 蝸殼水力模型

2.3.3 基于SolidWorks的葉輪完善設計

從圖6可以看出，入口端輪轂過長，且葉片360°包角處靠近輪轂的位置出現(xiàn)明顯扭曲無法直接使用，同時葉輪進口邊未進行切割，泵的通過性較差，因此需要將入口多余輪轂切割掉并進行重新繪制和完善葉片。這里將輪轂型線和葉片輪廓的螺旋線導入Solidworks，葉輪型線如圖8所示。

圖8 葉輪型線

基于導入的螺旋線繪制骨線，骨線的數(shù)量決定葉片曲率連續(xù)性，本文選取4個基準面共繪制15條骨線，如圖9所示。

圖9 葉片型線及骨線

將葉片骨線作為約束線，葉片型線作為引導線對葉片進行重建，曲面重建完畢后對葉片表面的Gauss曲率進行檢測，確保葉片光滑平順。

由于葉輪入口段主要起引流的作用，增壓能力較弱，這可以從下文葉片表面的壓力分布特性分析得出，為了使葉輪能夠順暢地將介質引入流道內，保證其良好的通過性和無損性，本文對葉片進口邊進行切割，擴大葉輪的進口面積，切割方法如圖10所示，其中淡藍色錐形面表示葉輪的進口面，橘黃色面塊表示被切割區(qū)域。

圖10 葉片進口邊切割

葉片切割完后對葉片進行加厚并將之與輪轂合并，獲取完整的螺旋離心泵葉輪，葉輪如圖11所示。

圖11 螺旋離心泵葉輪模型

3 結果分析

3.1 計算模型與求解器設置

把不同湍流模型應用于螺旋離心泵內部流場數(shù)的值模擬，并將模擬結果和試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)應用標準k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬較為合適[11]。標準k-ε模型是應用最為廣泛且最為有效的湍流模型。

由于非結構化網(wǎng)格中的節(jié)點和單元能夠較好地處理邊界，適用于流體機械中復雜結構模型網(wǎng)格的生成[12]，所以本文對水體進行非結構網(wǎng)格劃分。本文共劃分網(wǎng)格數(shù)量164 W，網(wǎng)格模型如圖12所示。

湍流模型采用標準k-ε模型，由于葉輪區(qū)域屬于動計算域，故采用多重參考坐標系MRF，動靜交界面的坐標系變換設置Frozen Rotor。邊界條件采用速度進口、開放式出口、固體壁面設置為無滑移邊界。設置對流項的求解格式為高階求解格式，湍流數(shù)值項的求解格式為一階格式，求解步數(shù)2 000，時間尺度為物理時間尺度，葉輪每旋轉4°為一個時間步長，時間步長為0.000 45 s，殘差收斂精度為10-4。

圖12 流體域網(wǎng)格模型

3.2 性能曲線

使用CFX15.0對流場進行數(shù)值計算，未經(jīng)優(yōu)化的螺旋離心泵性能曲線如圖13所示。

圖13 性能曲線

從圖中可以看出，該泵具有陡降的揚程曲線以及較穩(wěn)定的功率曲線，具有典型的螺旋離心泵外特性。設計流量點揚程為17.7 m，比設計揚程高2.7 m，效率為73.83%，軸功率為9.8 kW，完全滿足設計要求。0.8 Q工況下?lián)P程為21.62 m，比設計工況高3.9 m，效率為75.95%，比設計工況高2.12%，這說明最佳工況點應該位于0.8 Q至1.0 Q工況附近。這證明該設計方法是可行的。

4 結論

（1）本文通過數(shù)值計算對現(xiàn)有螺旋離心泵參數(shù)設計公式進行修改和優(yōu)化，修改和優(yōu)化后的公式設計出的螺旋離心泵性能較為理想，提高螺旋離心泵的水力性能的同時，相同參數(shù)下泵的幾何尺寸也較小。

（2）提出一種基于CFturbo與SolidWorks相結合的方法，并對螺旋離心泵進行設計和建模，這種方法能夠極大地提高螺旋離心泵的設計效率，使得設計人員在更短的時間內設計出更高性能的泵。

（3）目前螺旋離心泵的進口邊形狀和出口邊形狀對水力性能影響的研究較為缺乏，因此，可進一步研究不同葉片出口邊形狀對水力性能的影響， 完善設計方法，建立更加完善的水力性能預測模型，為螺旋離心泵的設計提供參考。