軸流泵導(dǎo)葉參數(shù)與葉輪匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳會(huì)城

（1.上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司,上海 201804；2.深圳市水利土木建筑工程有限公司,廣東 深圳 518040）

1 引言

近年來(lái),隨著湖泊濕地生態(tài)保護(hù)治理的發(fā)展,雙向軸流泵的應(yīng)用越來(lái)越多,而針對(duì)雙向軸流泵的力學(xué)特性和參數(shù)優(yōu)化研究也是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

為研究雙向軸流泵的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軸流泵雙向運(yùn)行性能的影響,本文基于有限元軟件中的k-ε湍流模型,對(duì)雙軸流泵進(jìn)行了仿真模擬。對(duì)比不同導(dǎo)葉出口安放角工況下軸流泵雙向運(yùn)行時(shí)的外特性、水力損失和壓力脈動(dòng)的差異。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何參數(shù)

表1 展示了雙向軸流泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。在設(shè)計(jì)中,Q反取0.5Q正。根據(jù)表1 參數(shù),通過(guò)有限元數(shù)值軟件建立雙向軸流泵葉輪和導(dǎo)葉的模型,并完成水力設(shè)計(jì),并建立進(jìn)、出水管道模型。為保證安全穩(wěn)定運(yùn)行,消除軸流泵裝置噪音、振動(dòng)等不利因素的影響,需滿足葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片數(shù)應(yīng)互質(zhì)要求。為了保證液體從水管流出時(shí)良好的出流條件和水力性能,模型在建立時(shí),對(duì)進(jìn)、出口段的管道尺寸進(jìn)行了延長(zhǎng),即L進(jìn)=5.12D2,L出=4.77D2。

表1 雙向軸流泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分方面,為了在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率,在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。此外,進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,圖1 展示了驗(yàn)證結(jié)果。從圖1 中可以看出,網(wǎng)格數(shù)大于450 萬(wàn)之后,其效率變化呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。因此,本模型最終劃分出計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)量482 萬(wàn),包括進(jìn)水管道30 萬(wàn),出水管道45 萬(wàn),導(dǎo)葉部分224 萬(wàn),葉輪部分183 萬(wàn)。

圖1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2.3 計(jì)算方法與邊界條件

通過(guò)有限元分析軟件,利用k-ε湍流模型進(jìn)行定常和非定常的模擬。邊界條件方面,進(jìn)口邊界設(shè)為總壓進(jìn)口,出口邊界設(shè)為質(zhì)量流出口,固體壁面設(shè)為無(wú)滑移邊界條件。單元、節(jié)點(diǎn)、模塊之間設(shè)置接觸模型?？傆?jì)算步數(shù)為3000 步,殘差精度小于10-5。

非定常模擬計(jì)算方面,其初始值為定常計(jì)算結(jié)果,總時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為葉輪旋轉(zhuǎn)的5 個(gè)周期,每旋轉(zhuǎn)3°設(shè)為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。在本研究中,模型轉(zhuǎn)速設(shè)為1200 r/min,因此計(jì)算總部長(zhǎng)為0.252 s,單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為4.2×10-4s。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為對(duì)雙向軸流泵內(nèi)流體情況更好地了解,設(shè)有3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于泵內(nèi)同一徑向斷面上。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況示意圖見(jiàn)圖2。其中,P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在葉輪進(jìn)口斷面處,P2監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在導(dǎo)葉進(jìn)口和葉輪出口斷面處,P3監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在導(dǎo)葉出口斷面處。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 外特性

圖3 展示了不同導(dǎo)葉出口角工況下正向運(yùn)行時(shí)的外特性曲線。從圖中可以看出,各工況下?lián)P程隨著流量大小先增加后減小。在流量較小時(shí),β=90°時(shí)揚(yáng)程最高,出口角越小,揚(yáng)程越大,揚(yáng)程峰值為5.12 m；隨著流量的增加,各工況下?lián)P程大小關(guān)系逐漸發(fā)生逆轉(zhuǎn),在流量超過(guò)1.0Qd后,出口角β越大,揚(yáng)程越小,出口角β與揚(yáng)程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。就軸流泵效率而言,整體上出口角β與流泵效率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),β=70°時(shí),效率達(dá)到最大,為72.6%。各工況相比,效率最大差值為1.2%,揚(yáng)程最大差值為0.08 m?？梢园l(fā)現(xiàn),雙向軸流泵在正向運(yùn)行時(shí)性能受導(dǎo)葉出口的安放角影響較為明顯。流量較大時(shí),可以選擇增大導(dǎo)葉出口安放角來(lái)提高泵的揚(yáng)程和效率。最佳流量為0.9Qd,這表明,在軸流泵正向運(yùn)行時(shí)高效區(qū)偏向于小流量工況。

圖3 正向運(yùn)行時(shí)外特性曲線

圖4 反向運(yùn)行時(shí)外特性曲線

圖3 展示了導(dǎo)葉不同出口角工況下反向運(yùn)行時(shí)的外特性曲線。從圖中可以看出,隨著流量的增加,各工況下雙向軸流泵揚(yáng)程大小呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì),流量越大,揚(yáng)程越小,流量與揚(yáng)程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。同一流量時(shí),各工況下?lián)P程大小關(guān)系未呈現(xiàn)出較為明顯的趨勢(shì),大致呈現(xiàn)出導(dǎo)葉出口安放角越大揚(yáng)程越高的規(guī)律,相較于正向運(yùn)行時(shí)其差異較小。就軸流泵工作效率而言,導(dǎo)葉出口安放角β=90°時(shí),其軸流泵工作效率最高,達(dá)到了50.8%。各工況相比,效率最大差值為1.2%,揚(yáng)程最大差值為0.5 m。與正向運(yùn)行相比,同一流量下,反向運(yùn)行揚(yáng)程更高,但在流量較小時(shí)運(yùn)營(yíng)效率不如正向運(yùn)行。反向運(yùn)行時(shí)最佳流量為1.2Qd。

綜上所述,考慮到軸流泵為雙向軸流泵,可以雙向運(yùn)行,因此建議導(dǎo)葉出口安放角取80°較為合理。

3.2 水力損失

圖5 展示了軸流泵正向運(yùn)行時(shí)不同導(dǎo)葉出口安放角工況下的水力損失曲線。從圖中可以看出,各導(dǎo)葉出口安放角工況下,水力損失隨著流量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì),最小值出現(xiàn)在0.9Qd附近,不同流量下水力損失差異較大。各工況相比,在小流量工況下,基本呈現(xiàn)出了隨著導(dǎo)葉出口安放角增加水力損失增大的一般性規(guī)律,導(dǎo)葉出口安放角與水力損失呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。而在大流量工況下則恰恰相反,增加導(dǎo)葉出口安放角水力損失反而降低,兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。故而,在正常設(shè)計(jì)工況下,正向運(yùn)行時(shí)對(duì)導(dǎo)葉出口安放角適當(dāng)減小可以減少部分水力損失。

圖5 正向運(yùn)行時(shí)水力損失曲線

圖6 展示了軸流泵反向運(yùn)行時(shí)不同導(dǎo)葉出口安放角工況下的水力損失曲線。從圖中可以看出,各工況下,軸流泵工作時(shí)的水力損失隨著流量的增加而單調(diào)下降,呈現(xiàn)出隨著流量增加水力損失減小的一般性規(guī)律,流量與水力損失為負(fù)相關(guān)關(guān)系,且隨著流量的增加,曲線逐漸變緩,降低速率下降。各工況下,流量較小時(shí),水力損失與導(dǎo)葉出口安放角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)葉出口安放角越大,水力損失越小,而在流量較大時(shí),接近于一致。

圖6 反向運(yùn)行時(shí)水力損失曲線

綜上所述,建議折中取導(dǎo)葉出口安放角,以減小雙向軸流泵在雙向運(yùn)行時(shí)的水力損失。

3.3 壓力脈動(dòng)分析

考慮到篇幅限制,對(duì)導(dǎo)葉出口安放角β分別在70°、80°和90°時(shí)設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析。

圖7 展示了雙向軸流泵在正向運(yùn)行時(shí)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同導(dǎo)葉出口安放角工況下的壓力脈動(dòng)時(shí)程曲線。從圖7（a）中可以看出,P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)即葉片進(jìn)口前,各不同導(dǎo)葉出口安放角工況下壓力脈動(dòng)幅值的差異比較小。在P2監(jiān)測(cè)點(diǎn),即葉片出口與導(dǎo)葉進(jìn)口處,壓力值相較于P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)有所提高,且各工況下差異較為明顯,在導(dǎo)葉出口安放角β=90°時(shí)其壓力脈動(dòng)幅值最大,在β=80°時(shí),壓力脈動(dòng)幅值最小。在P3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,即導(dǎo)葉出口段,各導(dǎo)葉出口安放角工況下壓力脈動(dòng)幅值也有較為明顯的差異,數(shù)值較P2監(jiān)測(cè)點(diǎn)有所下降,在導(dǎo)葉出口安放角β=70°時(shí)其壓力脈動(dòng)幅值最大,在β=90°時(shí),壓力脈動(dòng)幅值最小,呈現(xiàn)出隨著導(dǎo)葉出口安放角增大壓力脈動(dòng)減小的變化趨勢(shì)。因此,在實(shí)際軸流泵工作時(shí),通過(guò)導(dǎo)葉出口安放角的改變,可以對(duì)正向運(yùn)行時(shí)雙向軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),選取合適的導(dǎo)葉出口角,以減小流泵內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值。

圖7 正向運(yùn)行時(shí)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

圖8 展示了雙向軸流泵在反向運(yùn)行時(shí)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同導(dǎo)葉出口安放角工況下的壓力脈動(dòng)時(shí)程曲線。從圖8（a）中可以看出,P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)即葉片進(jìn)口前,各不同導(dǎo)葉出口安放角工況下壓力脈動(dòng)幅值的差異比較小,呈現(xiàn)出與正向運(yùn)行時(shí)相似規(guī)律。從圖8（b）中可以看出,在P2監(jiān)測(cè)點(diǎn),即葉片出口與導(dǎo)葉進(jìn)口處,壓力值相較于P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)有所降低,且各工況下差異較為明顯,在導(dǎo)葉出口安放角β=80°時(shí)其壓力脈動(dòng)幅值最大,在β=90°時(shí),壓力脈動(dòng)幅值最小,與正向運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)的規(guī)律截然相反。在P3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,即導(dǎo)葉出口段,各導(dǎo)葉出口安放角工況下壓力脈動(dòng)幅值也有較為明顯的差異,數(shù)值較P2監(jiān)測(cè)點(diǎn)有所上升,但低于P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值,不同導(dǎo)葉進(jìn)口安放角工況下,壓力脈動(dòng)幅值和變化趨勢(shì)接近,未出現(xiàn)明顯的差異。

圖8 反向運(yùn)行時(shí)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

4 結(jié)論

為研究雙向軸流泵的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其雙向運(yùn)行性能的影響,本文基于有限元軟件,建立了雙向軸流泵數(shù)值仿真模型,設(shè)置了5 個(gè)不同導(dǎo)葉出口安放角,對(duì)比了各工況下雙向軸流泵的外特性、水力損失和壓力脈動(dòng)情況。得出主要結(jié)論如下：

（1）雙向軸流泵性能受導(dǎo)葉出口的安放角影響較為明顯。正向運(yùn)行且流量較大時(shí),可以選擇增大導(dǎo)葉出口安放角來(lái)提高軸流泵的揚(yáng)程和效率,最佳流量為0.9Qd,在軸流泵正向運(yùn)營(yíng)時(shí)高效區(qū)偏向于小流量工況。

（2）與正向運(yùn)行相比,同一流量下,反向運(yùn)行揚(yáng)程更高,但在流量較小時(shí)運(yùn)營(yíng)效率不如正向運(yùn)行。反向運(yùn)行時(shí)最佳流量為1.2Qd?？紤]到軸流泵雙向運(yùn)行,因此建議導(dǎo)葉出口安放角取80°較為合理。

（3）正向運(yùn)行時(shí),水力損失隨著流量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì),最小值出現(xiàn)在0.9Qd附近,不同流量下水力損失差異較大。反向運(yùn)行時(shí),軸流泵工作時(shí)的水力損失隨著流量的增加而單調(diào)下降,流量較小時(shí),水力損失與導(dǎo)葉出口安放角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)葉出口安放角越大,水力損失越小,而在流量較大時(shí),接近于一致。

（4）導(dǎo)葉出口安放角對(duì)軸流泵反向運(yùn)行時(shí)的壓力脈動(dòng)影響程度較小。增大導(dǎo)葉出口安放角,可以有效降低正向運(yùn)行時(shí)壓力脈動(dòng)幅值。