葉片進(jìn)口邊位置對單葉片離心泵性能的影響

陳建芳，施衛(wèi)東，張德勝

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 3. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

葉輪葉片數(shù)越少，葉輪流道橫截面積越大，泵的無堵塞和抗纏繞性能越好[1]，因此，單葉片離心泵非常適合于輸送具有長纖維及大顆粒物質(zhì)的介質(zhì).近年來，許多學(xué)者對單葉片離心泵進(jìn)行了研究.AUVINEN等[2-3]利用FINFLO軟件分別采用定常和非定常方法模擬了單葉片泵內(nèi)的瞬態(tài)流動(dòng).NISHI等[4-5]采用LDV試驗(yàn)和CFD方法研究了單葉片葉輪內(nèi)部流場，2種方法在絕對速度的徑向分量上存在差異，但對泵性能和切向分量的評價(jià)較為一致.PEI等[6-8]采用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)方法研究了單葉片離心泵在非設(shè)計(jì)條件下流動(dòng)引起的振動(dòng)情況，并預(yù)測了多工況下單葉片泵的瞬態(tài)壓力變化.STEFFEN等[9]采用基于電磁流量計(jì)的一種新測量方法對單葉片離心泵回路中的流量和壓力進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在泵的整個(gè)工作范圍內(nèi)，壓力和流量波動(dòng)呈相似的趨勢.

葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向泵入口延伸，使液體提前受到葉片作用，可以減小葉輪外徑，有利于提高葉輪抗汽蝕性能和減小特性曲線的駝峰[10].羅先武等[11]研究認(rèn)為，將葉片的進(jìn)口邊適當(dāng)延伸以保證流體在葉輪進(jìn)口的流動(dòng)均勻性，可改善離心泵的抗空化性能.周嶺等[12]研究表明適當(dāng)把葉片進(jìn)口邊進(jìn)行延伸可減小葉輪出口湍流強(qiáng)度和改善流場分布.楊萬勇等[13]設(shè)計(jì)了5種不同葉片進(jìn)口邊位置的葉輪，研究表明，葉片進(jìn)口邊向出口方向延伸可改善空化性能，但延伸過多會降低葉片的做功能力.

以上研究主要集中于多葉片離心泵，而有關(guān)單葉片離心泵葉片進(jìn)口邊位置對其性能影響的文獻(xiàn)鮮見報(bào)道，文中為一臺單葉片離心泵設(shè)計(jì)6種不同進(jìn)口邊位置的葉輪，采用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)方法分析葉片進(jìn)口邊位置對單葉片離心泵性能的影響.

1 幾何模型及葉輪形式

所研究的單葉片離心泵的設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=20 m3/h，揚(yáng)程H=11 m，轉(zhuǎn)速n=2 940 r/min.圖1為該水泵(葉輪去掉前蓋板)的示意圖，其中葉輪的進(jìn)口、出口直徑分別為45，125 mm，葉輪出口寬度為31 mm，葉片包角為360°，葉片出口安放角為18°；蝸殼進(jìn)口直徑為135 mm，蝸殼進(jìn)口寬度為46 mm.圖2為其中一個(gè)葉輪的三維模型.

圖1 水泵二維圖

圖2 葉輪三維模型

在保持葉輪外形尺寸不變的前提下，根據(jù)葉片進(jìn)口邊的位置，設(shè)計(jì)了6種不同葉片進(jìn)口邊位置的葉輪，如圖3所示.

圖3 葉輪軸面投影

葉輪用進(jìn)口邊位置的數(shù)字組合表示，如葉輪12，即進(jìn)口邊分別沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸.當(dāng)葉片進(jìn)口邊與軸線不平行時(shí)，葉片進(jìn)口邊上各點(diǎn)的半徑不同，圓周速度也不相同，此時(shí)相應(yīng)各點(diǎn)的相對速度及流動(dòng)角不同，導(dǎo)致葉片進(jìn)口安放角沿進(jìn)口邊不同[14]，文中軸面流線的進(jìn)口安放角從前蓋板到后蓋板逐漸增大.圖3a中線段12，13和14與軸線的夾角分別為0°，10°和21°，圖3b中線段53，13，63和73與軸線的夾角分別為16°，10°，5°和0°.

圖4為進(jìn)口邊位置不同的葉片示意圖，可以看出，隨著進(jìn)口邊向泵入口的延伸增大了葉片面積，同時(shí)對葉片進(jìn)口寬度也有一定影響.

圖4 進(jìn)口邊位置不同的葉片

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算區(qū)域

圖5為單葉片離心泵全流場計(jì)算區(qū)域，對各過流部件進(jìn)行三維建模，為確保泵進(jìn)出口流動(dòng)的穩(wěn)定性，使其流動(dòng)更加接近真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，分別對葉輪進(jìn)口和蝸殼出口進(jìn)行5倍于管徑的延伸[15].

圖5 計(jì)算區(qū)域

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS CFX前處理軟件ICEM對泵計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中蝸殼計(jì)算域和葉輪計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對葉片壁面和隔舌附近進(jìn)行網(wǎng)格加密.流體域所有網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3.對各過流表面進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，保證距離壁面的y+在80左右.

以額定工況下泵揚(yáng)程和效率為指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示，可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)N的增大，數(shù)值計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定.網(wǎng)格數(shù)的增大會增加計(jì)算時(shí)間并且對計(jì)算機(jī)的配置有更高的要求，文中最終確定網(wǎng)格總數(shù)約為280萬以進(jìn)行后續(xù)計(jì)算.

圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.3 數(shù)值計(jì)算方案

應(yīng)用ANSYS CFX軟件對單葉片離心泵全流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，其中動(dòng)量方程對于泵內(nèi)復(fù)雜的三維湍流運(yùn)動(dòng)采用雷諾平均RANS方程.近壁區(qū)采用“scalable wall function”函數(shù)，假設(shè)壁面為無滑移邊界條件，壁面粗糙度設(shè)為50 μm.采用總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口邊界條件.采用多坐標(biāo)參考系，設(shè)葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其他計(jì)算域?yàn)殪o止域，旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間采用“Frozen Rotor”模式[16]，計(jì)算收斂殘差設(shè)為10-4.

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，以葉輪14為試驗(yàn)葉輪進(jìn)行泵性能試驗(yàn).圖7為額定轉(zhuǎn)速下，單葉片離心泵的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比，可以看出：在運(yùn)行流量內(nèi)，揚(yáng)程和效率的數(shù)值計(jì)算值均高于試驗(yàn)值，兩者隨流量的變化趨勢相同.除流量為28 m3/h工況下的揚(yáng)程誤差10.5%偏大外，其余工況揚(yáng)程的誤差為1.4%～6.6%；在全部工況下，效率的誤差為2.5%～7.8%.這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的，數(shù)值計(jì)算精度滿足工程實(shí)際要求，可用于單葉片離心泵外特性流場的分析.

圖7 額定轉(zhuǎn)速下泵性能數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖7還可以看出，在小流量工況下，計(jì)算揚(yáng)程曲線存在比試驗(yàn)揚(yáng)程曲線更明顯的駝峰現(xiàn)象，這可能是由葉片形狀引起的，相比圓柱形葉片，葉輪14的扭曲形葉片產(chǎn)生的駝峰現(xiàn)象更明顯[17]，同時(shí)由于葉輪加工精度導(dǎo)致試驗(yàn)葉輪的葉片扭曲程度降低，從而減輕了試驗(yàn)揚(yáng)程曲線的駝峰現(xiàn)象.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外特性分析

圖8所示為不同葉片進(jìn)口邊位置時(shí)單葉片離心泵的外特性曲線.可以看出：當(dāng)葉片進(jìn)口邊由12沿后蓋板延伸至13，揚(yáng)程最大可增大1.61 m，且揚(yáng)程增大的幅度隨流量的增大而增大；繼續(xù)延伸至14，揚(yáng)程最大可增大0.74 m；當(dāng)葉片進(jìn)口邊由12延伸至13，效率最大可提高5.23%，且最高效率點(diǎn)移至20 m3/h，但葉片進(jìn)口邊由13繼續(xù)延伸至14后，效率最大可提高0.78%，其中某些工況效率沒有提高反而有所下降；當(dāng)葉片進(jìn)口邊沿前蓋板由53依次延伸至13和63后，揚(yáng)程依次最大可增大0.70 m和0.69 m，繼續(xù)延伸至73，在大流量工況下，揚(yáng)程最大可增大0.35 m，在小流量工況下，揚(yáng)程沒有增大反而有所減小.當(dāng)葉片進(jìn)口邊沿前蓋板由53延伸至13時(shí)，泵效率最大可提高2.01%，當(dāng)延伸至63和73后，最高效率點(diǎn)向大流量移動(dòng)，高效區(qū)明顯變窄.因此，葉片進(jìn)口邊不論是沿后蓋板還是沿前蓋板向泵入口適當(dāng)延伸，均可提高葉片的做功能力和做功效率，但延伸過多容易造成流道堵塞，揚(yáng)程增大量變小，某些工況下的揚(yáng)程和效率不升反降.

圖8 不同葉片進(jìn)口邊位置時(shí)單葉片離心泵外特性曲線

由圖8還可以看出：葉片進(jìn)口邊13至63的延伸量小于葉片進(jìn)口邊13至14的延伸量，對比2種情況下的揚(yáng)程發(fā)現(xiàn)，在流量為12，16和24 m3/h工況下，葉輪63的揚(yáng)程要大于葉輪14的揚(yáng)程，最大相差3.1%，最小相差1.7%；在流量20，28 m3/h工況下，葉輪14的揚(yáng)程大于葉輪63的揚(yáng)程，分別相差0.9%和0.4%；除額定工況外，其余工況下葉輪63的效率均大于葉輪14的效率，兩者之間的效率最大相差2.6%，說明葉片進(jìn)口邊沿前蓋板向泵入口延伸后對泵揚(yáng)程、效率的影響較明顯；進(jìn)口邊由12平行軸線延伸至73，泵揚(yáng)程、額定和大流量工況下的效率顯著提高，因?yàn)檠由旌螅~片面積增大，做功能力增強(qiáng).

3.2 額定工況下葉輪中截面壓力和速度分析

圖9為額定工況下，葉片進(jìn)口邊位置不同的葉輪在中截面的壓力分布，可以看出：6種葉輪的壓力分布規(guī)律大致相同，均呈圓周非對稱分布，壓力隨半徑增大而增大，葉片吸力面入口處存在低壓區(qū)；隨著進(jìn)口邊沿后蓋板延伸量的增加，葉片吸力面入口處的最低壓力也增大，且高壓區(qū)域明顯增大；隨著進(jìn)口邊沿前蓋板延伸量的增加，葉片吸力面入口處的最低壓力越來越大，但是葉輪73在葉片吸力面入口處的低壓區(qū)域卻顯著增大；葉輪53，13和63的中截面高壓區(qū)域相差不大，而葉輪73高壓區(qū)域明顯減??；由于葉片進(jìn)口邊沿前蓋板和后蓋板向泵入口適當(dāng)延伸可以使流體提前受到葉片的作用，使流動(dòng)更均勻，從而減小了水力損失；葉片進(jìn)口邊向泵入口延伸，減小了進(jìn)口邊上所在點(diǎn)的半徑，使得流體的流動(dòng)速度減小，葉片吸力面入口處的壓力增大，從而避免了此處空化現(xiàn)象的發(fā)生；葉輪73入口處出現(xiàn)較大面積低壓區(qū)域的原因?yàn)檫M(jìn)口邊延伸太大，增加了葉片對流體的排擠，能量損失增大，葉片吸力面壓力減小.對比葉輪14和葉輪63的壓力分布發(fā)現(xiàn)，與進(jìn)口邊沿后蓋板延伸相比，進(jìn)口邊沿前蓋板適當(dāng)延伸更加有利于提高葉片吸力面入口處的壓力，并且進(jìn)口邊延伸量更少；對比葉輪14和葉輪53的壓力分布發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口邊同時(shí)沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸，可提高葉片吸力面入口處的壓力，增大高壓區(qū)域，增強(qiáng)葉輪做功能力；對比葉輪12和葉輪73的壓力分布發(fā)現(xiàn)，葉片進(jìn)口邊延伸后，葉片吸力面入口處的壓力激增，同時(shí)葉片進(jìn)口處的低速區(qū)面積顯著增大.

圖9 進(jìn)口邊位置不同時(shí)中截面壓力分布圖

圖10為額定工況下葉片進(jìn)口邊位置不同時(shí)葉輪中截面的相對速度分布，可以看出，6種葉輪的中截面相對速度分布規(guī)律大致相同，均呈圓周非對稱分布，相對速度隨半徑增大而增大，在葉輪出口達(dá)到最大.隨著進(jìn)口邊沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸量的增加，入口處、葉片壓力面前端和吸力面附近的低速區(qū)逐漸增大，蝸殼內(nèi)的低速區(qū)減小.葉片進(jìn)口邊向泵入口延伸后，由于葉片對流體提前作用，使其流動(dòng)更均勻，流體的流動(dòng)速度減小，使得入口處產(chǎn)生低速區(qū)；另外葉片對流體的約束增強(qiáng)，在葉輪內(nèi)產(chǎn)生較大的速度梯度，壓力面附近相對速度減小，壓力面前端出現(xiàn)低速區(qū).由此可知，入口處的回流現(xiàn)象、葉片壓力面前端的流動(dòng)分離、脫流現(xiàn)象和葉片吸力面入口處出現(xiàn)的旋渦隨著葉片進(jìn)口邊向泵入口延伸量的增加而更加明顯.對比葉輪12和葉輪73的速度分布發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口邊位置由12延伸至73，入口處、葉片壓力面前端和吸力面附近的低速區(qū)面積顯著增大，其原因是進(jìn)口邊延伸過多，加劇了進(jìn)口處葉片對流體的排擠，能量損失嚴(yán)重，相對速度降低.對比葉輪14和葉輪53的速度分布發(fā)現(xiàn)，葉輪53在葉片壓力面前端和入口處的低速區(qū)比葉輪14小，流體流動(dòng)分離和回流現(xiàn)象減輕. 因此，葉片進(jìn)口邊的位置顯著影響單葉片離心泵的外特性和內(nèi)流場的流動(dòng)特性，葉片進(jìn)口邊向泵入口的延伸應(yīng)適當(dāng)，不宜過多延伸.

圖10 葉片進(jìn)口邊位置不同時(shí)葉輪中截面速度分布

4 結(jié) 論

1) 葉片進(jìn)口邊沿前蓋板或后蓋板向泵入口適當(dāng)延伸，葉片對流體的控制能力增強(qiáng)，可提高泵的揚(yáng)程和效率.葉片進(jìn)口邊延伸過多，葉片入口流體堵塞，造成某些工況下的揚(yáng)程和效率不升反降.

2) 葉片進(jìn)口邊延伸后，葉片入口沖擊損失減小，大幅提高葉片吸力面進(jìn)口處的壓力，降低此處發(fā)生空化的可能，但泵會出現(xiàn)低速區(qū).

3) 提高相同幅度的泵揚(yáng)程或泵效率，所需的葉片進(jìn)口邊沿前蓋板向泵入口延伸量要小于葉片進(jìn)口邊沿后蓋板延伸量.