基于CFD對(duì)直葉片空間導(dǎo)葉斜流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂云杰 易玲 李志鵬 宋夢(mèng)斌 楊建業(yè)

（1.利歐集團(tuán)湖南泵業(yè)有限公司 湖南湘潭 411201；2.長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖南長沙 410114）

斜流泵又名導(dǎo)葉式混流泵，因其具有變工況高效運(yùn)行的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。傳統(tǒng)斜流泵導(dǎo)葉體大多采用扭曲葉片，其制造難度大，成本高［1］。因此，單圓弧直葉片的導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)逐漸被一些公司試制，其加工工藝簡(jiǎn)單，葉片可通過卷板或沖壓方式成型，很大程度上降低了生產(chǎn)成本［2］。如何提高焊接式直葉片空間導(dǎo)葉體斜流泵的效率是急需解決的一大難題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水泵內(nèi)部流動(dòng)的研究為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造提供了極大的幫助［3-7］。國內(nèi)外著名的泵業(yè)公司，如美國的ITT、德國的KSB、日本的EBARA，普遍都采用了CFD（計(jì)算流體力學(xué)）、CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）等新技術(shù)來設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品。近幾年，借助CFD 對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算和校核，已出現(xiàn)逆向求解和控制速度扭矩等多種新型設(shè)計(jì)方法。本文借用Fluent，對(duì)泵的原始模型和優(yōu)化后模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，為斜流泵空間導(dǎo)葉體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 優(yōu)化方案

斜流泵大多采用空間導(dǎo)葉體，為了解導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵性能的影響，業(yè)內(nèi)已作了一些研究［8-10］。本文選用MX350作為計(jì)算模型，并對(duì)其導(dǎo)葉體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型。其原始模型結(jié)構(gòu)：外筒為圓柱形，內(nèi)筒為圓柱形和圓錐形焊接，導(dǎo)葉體葉片數(shù)N=9，葉片長L=170mm，葉片進(jìn)口角度α=27°，葉片出口角95°，單圓弧直葉片。導(dǎo)葉體的葉片改型方案見示意圖1，改型數(shù)據(jù)見表1。

圖1 葉片改型方案示意圖

表1 導(dǎo)葉片改型方案

本文對(duì)導(dǎo)葉片的改型方案7 種，先改變導(dǎo)葉體葉片數(shù)和葉片進(jìn)口角度，葉片長度170mm，再通過數(shù)值計(jì)算選擇最優(yōu)改型方案，進(jìn)行葉片長度140mm和210mm改型，詳見表1。對(duì)導(dǎo)葉體內(nèi)筒改型1 種，把圓柱內(nèi)筒的一段改為兩段圓錐連接，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉體內(nèi)筒改型

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

數(shù)值計(jì)算的區(qū)域?yàn)槲肜瓤?、葉輪、導(dǎo)葉體、出水彎管、進(jìn)出口延伸段。本文利用solidworks對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行三維建模，采用Icem對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算的精度和時(shí)間，對(duì)計(jì)算進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終確定計(jì)算區(qū)域的全球網(wǎng)格尺寸為10，對(duì)葉片進(jìn)口進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格大小為2。利用CFD 商業(yè)軟件Ansys-CFX 對(duì)泵進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算，介質(zhì)為清水，邊界條件：進(jìn)口采用質(zhì)量進(jìn)口邊界（mass-flow-inlet），出口采用自由出流邊界（outflow），各計(jì)算區(qū)域間交界面采用interface，近壁面采用wall。計(jì)算區(qū)域采用兩種坐標(biāo)系，葉輪為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為1480r/min，其他流道采用靜止坐標(biāo)系。

2.2 模型泵數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)模型泵各工況點(diǎn)進(jìn)行定常流分析，可得出泵內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，并對(duì)泵進(jìn)行性能分析。圖3和圖4分別為泵內(nèi)部Z=0時(shí)流場(chǎng)的速度矢量圖和總壓分布。

圖3 速度分布

從速度矢量圖3 中可以看出，在葉輪離心力的作用下，流體進(jìn)入喇叭口后流速增加，經(jīng)過葉輪進(jìn)入導(dǎo)葉體內(nèi)，流體受流道壁面的作用，流速下降。從流體的流動(dòng)情況看，流體在泵的葉輪內(nèi)流動(dòng)順暢、均勻，進(jìn)入導(dǎo)葉體后，流體流動(dòng)不均，并存在較大漩渦。從圖4可以看出，由于電機(jī)對(duì)葉輪做功，轉(zhuǎn)化為葉輪對(duì)流體做功，所以泵內(nèi)流體的總壓從泵進(jìn)口逐漸增大，到葉輪出口總壓達(dá)到最大值，隨后由于流道壁面對(duì)流體的阻力做功使流體總壓減少。圖5 為葉輪葉片上的壓力分布圖，從圖中可知，葉片上壓力分布均勻，工作面的壓力明顯高于背面。在葉片的進(jìn)口處，存在較小的低壓區(qū)，也稱為汽蝕易發(fā)區(qū)域。

圖4 總壓分布

圖5 葉輪葉片壓力分布圖

綜上所述。導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)缺陷是泵效率偏低的原因之一，優(yōu)化導(dǎo)葉體的結(jié)構(gòu)是提高泵效率的有效途徑。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模型泵進(jìn)行性能試驗(yàn)測(cè)試，得出泵0.7Q、1Q、1.2Q這3 個(gè)流量點(diǎn)的性能參數(shù)，與模擬所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表2。

從表2 可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)趨勢(shì)相近，在數(shù)值計(jì)算過程中忽略泵的容積損失和機(jī)械損失，隨著泵流量的增加，泵的容積損失和機(jī)械損失增加，因此，流量增大數(shù)值計(jì)算和測(cè)試之間差距會(huì)增大，所以數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有參考性。同時(shí)，數(shù)據(jù)顯示，3個(gè)工況點(diǎn)中，1.2Q的軸功率低于1Q，效率大于1Q，降低電機(jī)發(fā)生過載的可能性，使泵高效點(diǎn)偏大流量。

2.3 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比

通過fluent對(duì)優(yōu)化泵進(jìn)行3個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算，得出表3中的性能參數(shù)。

結(jié)合表2和表3的數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)葉體葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型的方案中，相同工況條件下，當(dāng)葉片進(jìn)口角度和葉片長度相同時(shí)，葉片數(shù)為9片的水泵效率高于葉片數(shù)為11片的水泵效率。當(dāng)葉片長度都為170mm時(shí)，葉片進(jìn)口角度為23°時(shí)，泵額定工況點(diǎn)的效率最高，值為81.56%。當(dāng)葉片數(shù)為9片、葉片進(jìn)口角度為23°時(shí)，導(dǎo)葉片長度為210mm，泵額定點(diǎn)的效率最高，值為82.32%。最終得出，導(dǎo)葉片改型方案中，導(dǎo)葉片數(shù)為9片、葉片進(jìn)口角度為23°、葉片長度為210mm時(shí)，泵的效率最高。導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)改型的方案中，改變導(dǎo)葉體內(nèi)筒結(jié)構(gòu)使泵的效率提升幅度最大，泵效率值為83.31%。

表2 性能參數(shù)對(duì)比

表3 性能參數(shù)表

為了能直觀地了解各方案中，導(dǎo)葉體內(nèi)流體的流動(dòng)情況，本文給出原始模型、葉片改型最優(yōu)模型（導(dǎo)葉片數(shù)為9 片，葉片進(jìn)口角度為23°，葉片長度為210mm）、內(nèi)筒改型模型這3種方案額定工況點(diǎn)的速度矢量分布圖和導(dǎo)葉片上湍動(dòng)能分布圖。圖6為速度矢量分布圖，圖中導(dǎo)葉體內(nèi)筒邊緣流體的流速小于外筒邊緣流體的流速，并且速度從進(jìn)口到出口逐漸減少，對(duì)圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）導(dǎo)葉體內(nèi)流體流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，得出改型方案中的流體流動(dòng)逐漸順暢，進(jìn)口處的漩渦區(qū)域逐漸減少。

圖6 導(dǎo)葉體內(nèi)速度矢量圖

葉片上的湍動(dòng)能主要存在于葉片進(jìn)口處，其值大小的主要因素是葉片的進(jìn)口角度。從圖7導(dǎo)葉片上的湍動(dòng)能分布可知，原始模型導(dǎo)葉片進(jìn)口的湍動(dòng)能最大，內(nèi)筒結(jié)構(gòu)改型次之，且分布較前者均勻。而導(dǎo)葉片改型最優(yōu)方案中的導(dǎo)葉片進(jìn)口湍動(dòng)能最少，也最為均勻。

圖7 導(dǎo)葉片上的湍動(dòng)能分布

3 結(jié)語

（1）適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)能對(duì)流體起引流作用，但葉片數(shù)過多會(huì)增加葉片對(duì)流體阻力，從而使泵的效率下降。當(dāng)導(dǎo)葉體葉片數(shù)由9 片增加為11 片時(shí)，導(dǎo)葉片對(duì)流體的引導(dǎo)作用少于葉片對(duì)流體的阻力，泵的效率下降。

（2）當(dāng)葉片進(jìn)口角度等于設(shè)計(jì)流量下的相對(duì)液流角加上一個(gè)不大的沖角時(shí)，使液流速度方向與葉片進(jìn)口方向一致，這樣葉片對(duì)流體的沖擊損失和擾動(dòng)最少。從數(shù)值模擬的結(jié)果中可知，導(dǎo)葉片進(jìn)口角度23°較27°、31°，葉片對(duì)流體的沖擊少，葉片進(jìn)口處的流體湍動(dòng)能最少。

（3）葉片對(duì)流體進(jìn)行導(dǎo)流，葉片的長度決定流體流動(dòng)是否順暢，但葉片過長也是流體流動(dòng)的阻力。改型方案中葉片長度增加為210mm，泵的效率提高；減少為140mm，泵的效率減少。

（4）對(duì)導(dǎo)葉體的內(nèi)筒進(jìn)行錐形改型，導(dǎo)葉體進(jìn)口處的流動(dòng)漩渦減少，流體流動(dòng)更加順暢，同時(shí)，在所有改型方案中效率提高幅度最大。