可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵空間導(dǎo)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏仲林 余學(xué)軍 劉洪福

摘 ?要：對不可抽芯式低比轉(zhuǎn)速斜流泵，在不改變原泵葉輪流道基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型空間導(dǎo)葉體，減小可抽芯泵的筒體直徑，降低泵的成本。本研究采用CFD技術(shù)數(shù)值模擬泵的全流場流動特性，進(jìn)而優(yōu)化空間導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)。研究優(yōu)化后的結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵不僅具有筒體直徑小，而且還具有較好的水力性能，其水力效率高于原泵。本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為開發(fā)新的可抽芯式低比轉(zhuǎn)速斜流泵具有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：斜流泵;空間導(dǎo)葉;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

斜流泵，根據(jù)水力性能的劃分又稱為導(dǎo)葉式混流泵，具有流量大、揚(yáng)程適中、效率高、高效區(qū)范圍寬及不抽真空起機(jī)等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于冶金、市政、礦山和環(huán)保等行業(yè)。國內(nèi)外研究斜流泵的人很多，馬桂超、李寶良[2，3]對斜流泵內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，吳波、邴浩、張勤昭、李新華[4-7]對斜流泵的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)和數(shù)值模型進(jìn)行了研究，楊從新、張德勝[8-9]對斜流泵的葉輪和導(dǎo)葉數(shù)量對水泵性能的影響進(jìn)行了研究，裴迎舉[10]對復(fù)合結(jié)構(gòu)的斜流泵導(dǎo)葉進(jìn)行了研究。但是，目前尚未發(fā)現(xiàn)有人對不抽出導(dǎo)葉體的可抽芯斜流泵進(jìn)行研究，目前的抽芯式斜流泵抽芯時仍需要將轉(zhuǎn)子和導(dǎo)葉體一起抽出，對于低比轉(zhuǎn)速斜流泵，由于導(dǎo)葉體外圓很大，相對泵的葉輪外徑要大很多，而抽芯時需要抽出導(dǎo)葉體，因此水泵筒體需要制作得很大，很不經(jīng)濟(jì)。為了解決上述問題，本研究設(shè)計(jì)了一種新型的空間導(dǎo)葉體，導(dǎo)葉體和外筒體固定在一起，其導(dǎo)葉片任何一個處于葉輪最大外徑之外，抽芯時可不必抽出導(dǎo)葉體。

1 新型空間導(dǎo)葉體的結(jié)構(gòu)型式

這里所研究的可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵的導(dǎo)葉體將常規(guī)的導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)葉體的導(dǎo)流錐兩部分，外部的導(dǎo)葉體直接和筒體連接，抽芯維護(hù)時不需要抽出該部分，內(nèi)部的導(dǎo)流錐在抽芯時和轉(zhuǎn)子一并抽出，安裝時，導(dǎo)流錐隨轉(zhuǎn)子一起放下后會和導(dǎo)葉體接觸并由卡槽卡住，故運(yùn)行時，導(dǎo)流錐和和導(dǎo)葉體一起固定不動，如圖1所示。

2 新型空間導(dǎo)葉體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取一種已有的傳統(tǒng)斜流泵模型進(jìn)行對比，在保持原泵進(jìn)水喇叭口、葉輪室、葉輪不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個新型的導(dǎo)葉體。本研究選擇的原泵的參數(shù)為Q=1080m3/h，H=58m，n=1480r/min，ns=141，葉輪最大外徑480mm，導(dǎo)葉體進(jìn)口處最小直徑485mm，出口最小直徑僅125mm，遠(yuǎn)小于葉輪外徑，因而導(dǎo)葉體不可抽，導(dǎo)葉體內(nèi)壁光滑過渡至導(dǎo)向軸套保護(hù)管并和軸套保護(hù)管連接。新泵設(shè)計(jì)參數(shù)不變，葉輪也保持不變，空間導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)時，導(dǎo)葉體進(jìn)口處尺寸不變，其最小直徑仍為485mm，控制導(dǎo)葉從進(jìn)口到出口各橫斷面的最小徑向尺寸均大于葉輪最大半徑，即保證結(jié)構(gòu)上葉輪可從導(dǎo)葉體中抽出，保持軸面圖從進(jìn)口到出口的面積變化趨勢同原泵一致，原導(dǎo)葉進(jìn)出口角度也保持不變，導(dǎo)葉體外壁出口法蘭與外筒體法蘭連接，導(dǎo)葉體內(nèi)壁最小直徑設(shè)計(jì)為505mm，設(shè)計(jì)一個可抽的導(dǎo)流錐，將導(dǎo)葉體出口的液流光滑地導(dǎo)向軸套保護(hù)管并和軸套保護(hù)管連接，安裝時導(dǎo)流錐放下落于導(dǎo)葉體出口內(nèi)壁上，維護(hù)時導(dǎo)流錐隨泵軸向葉輪一起抽出。

3 斜流泵內(nèi)部流動特性的數(shù)值計(jì)算方法

全流場內(nèi)部流動采用三維不可壓縮N-S方程描述，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解方程。利用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動量、湍動能和耗散率項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，進(jìn)出口邊界條件分別采用速度進(jìn)口和自由出流條件。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型：

式中：t為時間;V為流體速度;ρ為流體密度;P為壓強(qiáng);ν為流體運(yùn)動黏性系數(shù);g為重力加速度;k為湍動能;ε為耗損率; ; ;各常數(shù)值Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3;xi為坐標(biāo)分量;i、j為張量坐標(biāo)。

4 新型空間導(dǎo)葉體斜流泵內(nèi)部流動特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算幾何模型的建立

通過 Solidworks軟件對新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉體、原葉輪及進(jìn)水喇叭三部分的水體進(jìn)行三維造型，如圖2所示。

三維造型后采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終采用的網(wǎng)格數(shù)見表1。

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

（1）兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)葉的靜壓分布

對額定工況和0.8倍及1.2倍額定工況點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，額定工況時，新舊兩種導(dǎo)葉片的靜壓力分布對比如圖4所示，從圖可以看出，兩種型式的導(dǎo)葉進(jìn)口壓力梯度均較大，出口趨于均勻，新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉出口靜壓力相比原泵導(dǎo)葉更加均勻，但壓力略低。

（2）兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)葉的速度分布

額定工況時，新舊兩種導(dǎo)葉體的速度矢量分布對比如圖5所示，從圖可以看出，兩種型式的導(dǎo)葉進(jìn)口速度較大，且不均勻，出口逐步趨于均勻，新設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉體無論是導(dǎo)葉的進(jìn)口還是出口，其速度矢量相比原泵者更加均勻。

（3）兩種導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)下的泵外特性曲線

無論是0.8倍、1.0倍還是及1.2倍額定工況，采用新導(dǎo)葉體的泵揚(yáng)程均比原泵略低，而效率均高于原泵，額定工況點(diǎn)效率高得不多，但大、小流量點(diǎn)效率均比原泵有較大幅度提升。

5 結(jié)論

本研究對兩種型式導(dǎo)葉體下的整泵全流場在三種不同工況下的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。有下列結(jié)果：

（1）在額定流量時，無論是靜壓力梯度還是速度矢量，新導(dǎo)葉體時泵內(nèi)部流動相比原導(dǎo)葉體泵更加均勻。

（2）采用新導(dǎo)葉體時，泵的流量揚(yáng)程曲線略有下降，但效率更高，高效區(qū)更寬。

通過分析比較，進(jìn)而得出該新導(dǎo)葉體的設(shè)計(jì)是成功的，可以作為低比轉(zhuǎn)速斜流泵可抽芯設(shè)計(jì)的一種新的結(jié)構(gòu)方式，該方式可以減小可抽芯泵的筒體直徑，降低泵的成本。

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基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“可抽芯低比轉(zhuǎn)速斜流泵的研究”（項(xiàng)目編號：17C0581）