葉頂泄漏流對(duì)半開式離心泵葉輪流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

程效銳, 蔣藝萌, 常正柏, 王 堃

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050； 2. 蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

半開式葉輪離心泵在工程中是流體輸送的重要工具,由于具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工方便、清洗便捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域.考慮到半開式葉輪離心泵沒有前蓋板,在工作時(shí)為避免葉片與泵殼間發(fā)生摩擦、碰撞,需在加工制造時(shí)留有一定的葉頂間隙[1-4].葉頂間隙的存在是導(dǎo)致半開式葉輪泵揚(yáng)程效率偏低的重要因素.晁文雄等[5]發(fā)現(xiàn)葉頂間隙的取值范圍對(duì)半開式復(fù)合葉輪離心泵的水力特性有顯著影響,減小葉頂間隙,離心泵效能利用率有所提高.Jia等[6]發(fā)現(xiàn)較大的葉頂間隙可以改善低比轉(zhuǎn)速離心泵的駝峰現(xiàn)象.葉輪工作時(shí)葉片周圍介質(zhì)受葉片壓力面和吸力面兩側(cè)壓差影響,進(jìn)入葉頂間隙層中形成間隙流,雖然葉頂間隙流區(qū)域與主流區(qū)域相比占比小[7-8],但間隙處的泄漏流對(duì)泵性能的影響不容忽視.流體從葉片壓力側(cè)進(jìn)入葉頂間隙后受到“孔口效應(yīng)”,在間隙內(nèi)部加速流動(dòng)[9].崔寶玲等[10]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了液流沖擊、流動(dòng)不均勻和回流是高速開式離心泵葉輪效率低的主要原因.Baoling[11]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)直葉和彎葉開式葉輪離心泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)直葉開式葉輪離心泵具有較好的水力性能.葉頂間隙流進(jìn)入葉片相鄰流道形成的泄漏渦是干擾葉輪內(nèi)部流動(dòng)的重要因素[12].研究者們發(fā)現(xiàn)小流量時(shí)半開式葉輪內(nèi)較大區(qū)域中存在二次流和回流,由于葉頂間隙處泄漏渦的存在, 流體在周向滑移嚴(yán)重,出口流動(dòng)角度減小[12-14].盧金玲等[15]應(yīng)用SSTk-ω模型,對(duì)半開式離心泵的葉頂間隙進(jìn)行了非定常計(jì)算,發(fā)現(xiàn)葉片載荷的變化會(huì)引起泄漏渦渦核的周期性脈動(dòng),泄漏渦促進(jìn)了葉頂區(qū)域的流動(dòng)分離.曠海洋等[16]研究發(fā)現(xiàn)葉頂間隙與折線斜縫機(jī)匣處理相互作用對(duì)軸流泵擴(kuò)穩(wěn)效果最好.Yabin等[17]發(fā)現(xiàn)混流泵葉頂間隙引起的泄漏渦可以分為四種類型,主泄漏渦、二次泄漏渦、螺旋泄漏渦和擴(kuò)散泄漏渦.

目前對(duì)于葉頂間隙的研究主要集中在間隙對(duì)泵外特性的影響以及間隙流對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)的影響這兩方面.而葉頂間隙大小變化對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響更多集中于軸流泵、混流泵或壓氣機(jī)的研究中,在半開式離心泵中這方面的研究非常不足.

因此,本文以數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究葉頂間隙大小對(duì)半開式葉輪離心泵葉頂泄漏渦發(fā)展的影響規(guī)律,以及變工況下間隙大小對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的影響,確定葉頂間隙最佳取值,為半開式葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù).

1 幾何模型和方案設(shè)計(jì)

1.1 半開式離心泵基本參數(shù)

本文以半開式葉輪離心泵為研究對(duì)象,其主要參數(shù)分別為：流量qV=6 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=6 m,轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min,比轉(zhuǎn)速ns=58,葉輪進(jìn)口直徑D1=52 mm,葉輪出口直徑D2=166 mm,葉片出口寬度b2=3.5 mm,葉片進(jìn)口安放角β1=65°,葉片出口安放角β2=20°.葉輪葉片為6長(zhǎng)6短后彎式圓柱形葉片,葉頂間隙為均勻等值間隙.通過三維軟件對(duì)半開式離心葉輪流體域進(jìn)行建模.

1.2 方案設(shè)計(jì)

雖然減小葉頂間隙對(duì)提高泵的效率和揚(yáng)程有積極作用,但考慮到最小裝配尺寸要求,間隙值不應(yīng)無(wú)限減小.故本研究設(shè)計(jì)了5種尺寸的葉頂間隙進(jìn)行對(duì)比,各個(gè)方案的間隙值δ分別為1.3、1.1、0.9、0.7、0.5 mm.圖1為葉頂間隙軸面示意圖,其中Ⅰ-Ⅰ截面為0.9倍葉高處葉輪截面.

圖1 葉頂間隙示意圖Fig.1 Schematic diagram of tip clearance

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

半開式葉輪離心泵模型流體域由進(jìn)口段 、葉頂間隙、葉輪、蝸殼和后腔組成.運(yùn)用ICEM軟件對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中葉頂間隙和半開式葉輪計(jì)算域采用分塊六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,蝸殼、后腔及進(jìn)出口段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.對(duì)葉頂間隙區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密,加密層數(shù)為20層,葉頂間隙近壁面第一層網(wǎng)格高度為6×10-5m,y+值取1～10.最終葉頂間隙計(jì)算域生成總網(wǎng)格數(shù)為169萬(wàn).關(guān)鍵過流部件網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 計(jì)算域主要過流部件網(wǎng)格Fig.2 Fluid domain meshes of main flow-passing parts

考慮網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,分別采用網(wǎng)格數(shù)為540萬(wàn)、600萬(wàn)、680萬(wàn)和860萬(wàn)的四種網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證.圖3顯示了隨著網(wǎng)格數(shù)的增加,模型泵揚(yáng)程總體呈下降趨勢(shì),但變化率在逐漸減小,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到680萬(wàn)左右時(shí)揚(yáng)程趨于穩(wěn)定.因此在保證數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)選擇計(jì)算成本更低的網(wǎng)格方案,最后確定計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為680萬(wàn)左右.

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grids independence check

2.2 數(shù)值模型和邊界條件

本文采用的湍流模型為SSTk-ω湍流模型.相比于一般的k-ε模型,SSTk-ω模型對(duì)于近壁面區(qū)域自由流動(dòng)的模擬精度更高,在關(guān)于間隙問題的研究中應(yīng)用更為廣泛.分別采用k-ε模型和SSTk-ω模型對(duì)半開式葉輪離心泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn):采用k-ε模型時(shí),效率誤差在4%以內(nèi),揚(yáng)程誤差最高達(dá)10%；采用SSTk-ω模型時(shí),效率誤差在5%以內(nèi),揚(yáng)程誤差在1%以內(nèi).SSTk-ω模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合,并且能夠更有效地捕捉到葉頂間隙內(nèi)部的渦量分布情況,因此將SSTk-ω模型應(yīng)用于本研究的流場(chǎng)計(jì)算中.SSTk-ω模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型有相似的形式,有k方程和ω方程[18-19],其基本形式如下：

湍流黏性系數(shù)方程為

ui=ρCμk/ω

(3)

式中：ρ為流體密度,kg/m3;ω定義為特定耗散率；Cμ為常數(shù),取0.09；Pk表示湍流脈動(dòng)動(dòng)能k的生成項(xiàng);Pω為湍流脈動(dòng)頻率的生成項(xiàng);Γk和Γω分別為k與ω的有效擴(kuò)散系數(shù);Yk和Yω分別為k與ω的耗散項(xiàng);Dω為正交擴(kuò)散項(xiàng).

假定離心泵在穩(wěn)定工作時(shí),內(nèi)部流場(chǎng)為定常流動(dòng),選擇SSTk-ω湍流模型.假設(shè)固體壁面無(wú)滑移,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE算法.對(duì)方程組的離散格式,壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式,速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流脈動(dòng)頻率均采用一階迎風(fēng)格式.

葉輪旋轉(zhuǎn)部件與蝸殼、吸水室靜止部件之間的耦合模型,采用多參考旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型(multiple reference frame).旋轉(zhuǎn)速度為離心泵轉(zhuǎn)速(1 500 r/min),進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口(Velocity-inlet),出口邊界條件采用自由出流(Outflow),各交界面設(shè)為Interior.當(dāng)各計(jì)算誤差都小于10-5或者監(jiān)測(cè)的出口總壓變化在10 Pa以內(nèi)判定計(jì)算收斂.

2.3 數(shù)值計(jì)算有效性驗(yàn)證

選擇初始模型即葉頂間隙值δ為1.3 mm的方案對(duì)半開式葉輪離心泵進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試系統(tǒng)為離心泵可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái),如圖4所示.實(shí)驗(yàn)臺(tái)配有精度等級(jí)為±0.1%的壓力傳感器,精度為±1.0%的電磁流量計(jì)，測(cè)量精度為±0.3%的扭矩傳感器，采樣頻率為1 000 Hz的高速攝像機(jī).實(shí)驗(yàn)中記錄了流量從0到9 m3/h的測(cè)試數(shù)據(jù),通過測(cè)定泵進(jìn)、出口壓力和流速計(jì)算出相應(yīng)泵的揚(yáng)程和效率.離心泵的揚(yáng)程計(jì)算公式為

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置Fig.4 Test bench device

(4)

式中：Z為位置水頭,m；p為壓力,Pa；v為流速,m/s；下標(biāo)1表示泵進(jìn)口,下標(biāo)2表示泵出口(基準(zhǔn)面選在泵軸中心線所在的水平面上).

泵的效率計(jì)算公式為

(5)

式中：P為輸入功率,kW.

選擇流量4m3/h到9m3/h的工況進(jìn)行數(shù)值模擬,圖5為半開式葉輪離心泵在轉(zhuǎn)速1 500 r/min下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流量-揚(yáng)程曲線和流量-效率曲線對(duì)比圖.從變化趨勢(shì)來看,揚(yáng)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有良好的一致性,特別是在設(shè)計(jì)流量6 m3/h附近吻合度較高.說明當(dāng)前計(jì)算結(jié)果具有一定的精確度和可靠性,所選用的數(shù)值方法可以用于本研究.

圖5 離心泵外特性曲線

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 葉頂間隙值變化對(duì)泵揚(yáng)程和效率的影響

圖6為5種間隙在3種工況(0.8qV、1qV、1.2qV)時(shí)泵的揚(yáng)程和效率變化曲線.由圖可見,在3種工況下,揚(yáng)程和效率都隨著葉頂間隙減小而逐漸升高.圖6a所示的揚(yáng)程變化曲線中,大流量和小流量工況下曲線的變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)工況下基本一致.從圖6b可以看出,當(dāng)流量從1.2qV減小至0.8qV時(shí),在各個(gè)間隙值下效率都急劇下降,下降幅度將近5%.這主要是因?yàn)殡S著葉頂間隙減小,葉頂間隙處的泄漏流隨之減少,泄漏流對(duì)主流的擾動(dòng)減弱,能量損失降低,流體和葉片之間的能量轉(zhuǎn)換增加,所以效率和揚(yáng)程有所提高.同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)間隙減小到0.7 mm時(shí),揚(yáng)程在設(shè)計(jì)工況下上升幅度最大,進(jìn)一步減小間隙值,離心泵效率不再有明顯變化.為研究造成這種現(xiàn)象的原因,下面對(duì)泵葉輪和葉頂間隙內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行深入研究.

圖6 不同葉頂間隙特性曲線

3.2 葉頂泄漏渦分布情況

為分析葉頂間隙內(nèi)泄漏渦的結(jié)構(gòu)特征,利用Q準(zhǔn)則對(duì)葉頂間隙內(nèi)泄漏渦形狀、位置和影響范圍進(jìn)行描述.Q準(zhǔn)則主要是利用Q值作為渦量判據(jù),把Q>0的區(qū)域定義成渦,當(dāng)Q值越大,渦旋區(qū)域內(nèi)流體轉(zhuǎn)速越大[18].Q值的計(jì)算公式如下:

Q=(ΩijΩji-SijSji)

(6)

式中：Ωji為渦張量,Ωji=(?ui/?xj-?uj/?xi)/2；Sji為應(yīng)變率張量,Sji=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2；i,j為自由指標(biāo),可取1、2、3.

不同葉頂間隙處泄漏渦在利用Q準(zhǔn)則確定的等值面分布情況如圖7所示.圖7a中葉片頂部存在明顯的主泄漏渦和二次泄漏渦,與其它方案相比,二次泄漏渦在流道內(nèi)占據(jù)范圍最大,在靠近輪轂處葉片工作背面根部出現(xiàn)大量的擴(kuò)散泄漏渦,這些泄漏渦分布在葉輪流道內(nèi),與葉輪流道內(nèi)的主流相互作用,阻塞主流流動(dòng),引起流動(dòng)損失.隨著葉頂間隙值δ的減小,靠近輪轂處的擴(kuò)散泄漏渦分布范圍明顯減少,二次泄漏渦逐漸被不斷增強(qiáng)的主泄漏渦吸收,在流道中占據(jù)的范圍大幅減少.當(dāng)δ減小至0.9 mm時(shí),二次泄漏渦完全消失,主泄漏渦明顯增強(qiáng),泄漏渦對(duì)葉輪流道內(nèi)流動(dòng)的影響范圍逐漸減小,流道內(nèi)主流流動(dòng)更加順暢,水力損失降低,泵的效率和揚(yáng)程都有所提高(見圖6).繼續(xù)減小δ到0.7 mm時(shí),葉片頂部主泄漏渦強(qiáng)度減弱,在靠近葉片出口位置處尤為明顯,流道內(nèi)的渦流區(qū)域也有所減少,此時(shí),葉頂間隙泄漏渦對(duì)主流區(qū)的影響最小.特別的是,當(dāng)進(jìn)一步減小δ值到0.5 mm時(shí),主泄漏渦在葉片出口附近出現(xiàn)加強(qiáng)趨勢(shì),流道內(nèi)又出現(xiàn)了二次泄漏渦,此時(shí)泵的效率也不再增加.由此可見,葉頂間隙值對(duì)間隙內(nèi)泄漏渦的發(fā)展有重要影響,間隙在0.7 mm時(shí),對(duì)泄漏渦發(fā)展的抑制能力最佳.同時(shí)還發(fā)現(xiàn),葉頂間隙泄漏渦強(qiáng)度和二次泄漏渦的分布情況共同影響著半開式離心葉輪的流場(chǎng)結(jié)構(gòu).

圖7 不同葉頂間隙處泄漏渦分布情況

圖8為不同葉頂間隙時(shí)葉輪流道軸面上渦量分布的影響.從圖中漩渦的位置和強(qiáng)度可以看出,相比于葉頂間隙δ的其他方案,當(dāng)葉頂間隙δ為1.3 mm時(shí),靠近葉輪出口位置處有較大強(qiáng)度的漩渦,漩渦的存在阻塞了部分流道,流道的通流能力變差.當(dāng)葉頂間隙值減小到1.1 mm時(shí),出口位置處的高強(qiáng)度漩渦區(qū)消失.隨著葉頂間隙減小,漩渦面積逐漸減小.當(dāng)δ值減小到0.7 mm時(shí),漩渦區(qū)范圍最小,此時(shí)葉輪出口附近漩渦強(qiáng)度最弱.進(jìn)一步減小δ值到0.5 mm時(shí),漩渦區(qū)域不再減小,反而出現(xiàn)增大趨勢(shì),葉輪出口的漩渦強(qiáng)度也開始增強(qiáng).這就是如圖6b所示,間隙減小至0.7 mm后,進(jìn)一步減小葉頂間隙,離心泵效率基本不再增加的主要原因.

圖8 不同方案下葉輪軸面渦量分布圖Fig.8 Vortex distribution of the impeller shaft under different schemes

3.3 葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)

圖9給出了葉片頂部間隙內(nèi)流線分布規(guī)律.由圖9可知葉頂間隙內(nèi)流體在無(wú)葉片區(qū)域的流動(dòng)主要為沿切向的圓周運(yùn)動(dòng),以及在葉頂附近與主流方向基本垂直的徑向流動(dòng),兩者相互作用在葉輪進(jìn)口位置形成漩渦,這與圖7中的泄漏渦分布規(guī)律相吻合.受葉片工作面和背面壓差影響,隨著葉頂間隙增加,會(huì)有更多流體從葉片工作面通過間隙流向背面形成泄漏流,這些泄漏流從葉輪流道進(jìn)入葉頂間隙內(nèi),將把從葉輪葉片獲得的能量消耗在間隙內(nèi),這也是葉頂間隙越大引起泄漏損失越大的主要原因之一.通過對(duì)比葉頂間隙值δ為0.7 mm和0.5 mm的間隙內(nèi)流線分布可以發(fā)現(xiàn),雖然δ= 0.5 mm時(shí)泄漏流的區(qū)域要比δ= 0.7 mm時(shí)小,但是在葉片進(jìn)口附近又出現(xiàn)了明顯的漩渦.毫無(wú)疑問,半開式葉輪間隙的存在使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.

圖9 不同方案下葉頂間隙內(nèi)流線在葉頂附近分布圖Fig.9 Distribution of streamline in the tip clearance near the blade tip under different scheme

3.4 葉輪流道Ⅰ-Ⅰ截面速度分布

選取在設(shè)計(jì)工況下葉輪Ⅰ-Ⅰ截面對(duì)應(yīng)不同葉頂間隙時(shí)的速度分布如圖10所示,葉輪流道Ⅰ-Ⅰ截面位置如圖1所示.葉輪中的短葉片主要起到分流作用,大部分液流通過長(zhǎng)葉片工作面與短葉片背面之間的流道流出.由圖10可知,在葉輪流道內(nèi)有明顯的徑向泄漏流,流道內(nèi)高速區(qū)主要分布在葉片出口附近,低速區(qū)主要分布在短葉片工作面和長(zhǎng)葉片背面之間.流道內(nèi)產(chǎn)生局部低速區(qū)是由葉頂間隙內(nèi)部流動(dòng)與葉輪主流相互作用引起的.從圖10可以發(fā)現(xiàn)：隨著間隙值δ減小,徑向泄漏流在長(zhǎng)葉片工作面與短葉片背面之間的主流道內(nèi)逐漸減少,主流道內(nèi)局部低速區(qū)范圍也逐漸減小,說明間隙泄漏流對(duì)主流的影響有所改善；但當(dāng)葉頂間隙值減小至0.5 mm時(shí),主流道內(nèi)低速區(qū)范圍又開始增加.另一方面,隨著間隙的減小,葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)了漩渦區(qū),這是因?yàn)槿~頂間隙越小,流體在間隙內(nèi)獲得的速度就越大,在與之相接的葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)的渦流就越強(qiáng)；但由于長(zhǎng)短葉片葉輪內(nèi)的主要流動(dòng)區(qū)域位于長(zhǎng)葉片工作面與短葉片工作背面之間的流道,所以上述在小間隙下出現(xiàn)的漩渦對(duì)于葉輪內(nèi)部主流的影響并不顯著.當(dāng)葉頂間隙值δ增大時(shí),流道內(nèi)渦流就會(huì)減弱,流體在葉輪流道內(nèi)的動(dòng)能耗散隨之減小,在葉輪出口獲得的速度增大,導(dǎo)致泄漏量增加,容積損失隨之增加,從而使得離心泵的效率和揚(yáng)程降低.

圖10 葉輪流道Ⅰ-Ⅰ截面相對(duì)速度分布圖Fig.10 Relative velocity distribution of Ⅰ-Ⅰ section of impeller channel

3.5 葉頂間隙對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)的影響

圖11為不同工況下葉輪流道內(nèi)的流場(chǎng)分布圖.對(duì)比圖11a和圖11b發(fā)現(xiàn),隨著流量增加,葉片工作面和背面之間壓差逐漸減小,減少了因壓差作用從葉片工作面流向背面的葉頂間隙泄漏流,這與圖12實(shí)驗(yàn)拍攝結(jié)果一致.對(duì)比圖11c和圖11d葉片壓力分布情況也有同樣的變化規(guī)律.從速度矢量分布發(fā)現(xiàn)：在小流量工況,主流區(qū)域(長(zhǎng)葉片工作面和短葉片背面間的流道)的流動(dòng)情況更加復(fù)雜,葉頂間隙泄漏流對(duì)主流流動(dòng)干擾很大,二次流幾乎占據(jù)了整個(gè)流道,改變了主流結(jié)構(gòu),導(dǎo)致葉片出口的射流-尾跡現(xiàn)象更加嚴(yán)重；但在大流量工況下,葉頂間隙泄漏流對(duì)葉輪流道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響明顯減弱,流道內(nèi)通流區(qū)域增加,由二次流引起的損失減少,流動(dòng)性能明顯改善.對(duì)比圖11a和圖11c發(fā)現(xiàn),在小流量下,葉頂間隙值δ為0.7 mm時(shí)流道內(nèi)二次流區(qū)域比δ為1.3 mm時(shí)小,且大部分液流都沿著葉片曲率流出.總體而言,減小葉頂間隙時(shí),泵在小流量工況下效率更高,因此在小流量工況下運(yùn)行的半開式葉輪離心泵，在水力設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮在合理范圍內(nèi)減小葉頂間隙值.

圖11 不同工況下葉輪流道內(nèi)流場(chǎng)圖Fig.11 Flow field diagram of impeller channel under different working conditions

為驗(yàn)證上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性,分別在大流量工況和小流量工況下對(duì)半開式葉輪離心泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過高速攝像裝置拍攝出不同工況下葉頂間隙處的流動(dòng)情況,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.圖12為高速攝像裝置拍攝出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖.圖12a和圖12b可以看出:在小流量下葉輪流道內(nèi)流動(dòng)情況更加復(fù)雜,在葉頂處可以看到明顯的泄漏流進(jìn)入主流道內(nèi)干擾主流流動(dòng);隨著流量增大,流道內(nèi)流動(dòng)情況有明顯好轉(zhuǎn),泄漏流對(duì)主流區(qū)的影響明顯減弱.

圖12 離心泵葉頂間隙內(nèi)流動(dòng)情況Fig.12 Flow inside the centrifugal pump tipclearance

4 結(jié)論

1) 葉頂間隙的大小對(duì)半開式葉輪離心泵性能有很大影響,適當(dāng)減小葉頂間隙可以提高泵的效率和揚(yáng)程,當(dāng)葉頂間隙減小到一定程度時(shí),繼續(xù)減小葉頂間隙對(duì)離心泵效率和揚(yáng)程影響非常有限.

2) 葉頂間隙泄漏渦的發(fā)展過程受葉頂間隙大小的影響,其強(qiáng)度和分布位置共同影響著半開式葉輪離心泵葉頂附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu).當(dāng)葉頂間隙取0.7 mm時(shí),對(duì)泄漏渦的發(fā)展有所抑制.隨著葉頂間隙減小,主泄漏渦開始吸收二次泄漏渦,并逐漸加強(qiáng).二次泄漏渦被完全吸收后,間隙繼續(xù)減小至最佳值0.7 mm時(shí),主泄漏渦有所減弱,葉輪流道內(nèi)流動(dòng)受泄漏渦的影響也減小,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善.進(jìn)一步減小葉頂間隙,二次泄漏渦再次出現(xiàn),同時(shí)主泄漏渦開始加強(qiáng).

3) 葉頂間隙泄漏流對(duì)葉輪內(nèi)主流的擾動(dòng)受流量的影響較大.在小流量工況,泄漏流對(duì)葉輪流道內(nèi)流動(dòng)擾動(dòng)影響較大,泄漏流與主流混合時(shí)所形成的二次流幾乎占據(jù)整個(gè)流道,改變了葉輪出口附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)；在大流量工況,葉頂間隙泄漏流對(duì)主流流場(chǎng)擾動(dòng)減弱,葉輪內(nèi)流動(dòng)更加順暢.在小流量工況,葉頂間隙值取0.7mm時(shí),葉片區(qū)受到干擾程度更小.