分流叶片对内部流向的影响

本文作者：袁寿其 叶丽婷 张金凤 袁野 张伟捷 单位：江苏大学流体机械工程技术研究中心

分流叶片偏置设计法已成为提高低比转速离心泵性能的主要方法之一，该方法采用长、短叶片间隔布置，可减轻叶轮进口处排挤严重的现象，改善叶轮内的流场分布，有效防止尾流的产生和发展，提高泵的性能．自20世纪70年代以来，带分流叶片离心泵的研究已取得了一些有价值的成果，并在生产实践中被应用．Glc等［1］通过性能试验研究了深井泵中分流叶片对性能的影响规律．Kergourlay等［2］对有、无分流叶片的离心泵进行了多工况的数值模拟，并采用压力传感器测量了多点的压力脉动，研究表明带分流叶片的叶轮扬程在全流量范围内比普通叶轮扬程高10%～15%，压力脉动明显减小．袁寿其等［3］对分流叶片离心泵叶轮内流场进行了三维湍流数值模拟，并与PIV流场测试相互验证，揭示了分流叶片在离心泵内流场中具有改善“射流－尾流”结构的作用．陈松山等［4］对带分流叶片离心泵进行正交试验研究，为分流叶片的设计提供依据．朱祖超［5］对长、中、短叶片结合的复合叶轮进行了理论分析和数值模拟，提出了以效率为目标函数，以抗汽蚀性和性能曲线稳定为约束条件的复合叶轮优化设计方法．耿少娟等［6］对带分流叶片的离心泵进行了非定常数值分析，讨论了不同叶片形式对水泵扬程、进出口压力波动的影响规律．张金凤［7］通过多因素正交设计方案的数值预报和试验研究，初步揭示了带分流叶片离心泵内部三维非定常湍流特性，以及分流叶片的添置对改善“射流－尾流”结构和提高离心泵性能的机理．综上所述，目前针对带分流叶片离心泵的研究主要是对其内流场的数值模拟、PIV测试以及性能试验等，对于分流叶片的添置对泵内非定常流动特性和运行稳定性的影响规律的研究还不够深入，而离心泵内部的非定常流动现象及其诱导产生的结构振动，是水泵运行过程中最典型、最常见的非稳定特性，关系到水泵机组的安全运行，是水力机械领域中的重要学术与工程难题之一．文中采用Ansys－CFX软件，对有、无分流叶片离心泵进行全流场非定常数值模拟，分析有、无分流叶片以及不同分流叶片设计对泵内非定常流动特性的影响规律，为完善和优化带分流叶片离心泵的设计，深入研究其内部的流动特性及其诱导振动产生的机理提供一定理论依据．

1叶轮设计方案

所研究模型泵的型号为IS50－32－160，流量Qd=12.5m3/h，扬程H=32m，转速n=2900r/min，比转速ns=47，规定效率η=56%，配套功率P=3kW．叶轮为闭式，叶轮外径D2=160mm，叶轮出口宽度b2=6mm，叶轮进口直径D1=50mm．为了验证添置分流叶片对泵内非定常流动特性的影响，设计了5个不同的叶轮方案，其中方案A为无分流叶片设计，方案B，C，E为带偏置分流叶片设计，但分流叶片进口直径不同，方案D为带不偏置分流叶片设计．主要设计方案及其结构参数如表1所示，表中:Zl为长叶片数;Zs为短叶片数;Dsin为短叶片进口直径;θ为短叶片偏置度．

2数值计算方法

2.1计算域选取采用Pro/E软件生成三维全流场计算区域模型，如图1所示．为使模拟结果更加稳定，对叶轮进口和蜗壳出口进行适当延伸，整个模型包括叶轮、蜗壳、进出口延伸段以及前后盖板腔体．

2.2网格划分应用CFD－ICEM软件对模型进行网格划分，采用非结构化四面体网格，并在隔舌处进行加密，网格总数约为700000，基本满足无关性要求．

2.3测点布置为了监测泵内压力脉动，在叶轮－蜗壳交界面、叶轮进口及蜗壳出口处布置了10个测点．其中，叶轮进口处测点P10位于叶轮进口与进口延伸段的交界面中心位置上，蜗壳出口处测点P9位于蜗壳出口断面中心处，其他测点位于叶轮的中间截面．各测点的坐标如表2所示．

2.4计算求解应用Ansys－CFX12.1软件进行非定常全流场数值模拟，采用标准k－ε湍流模型进行方程封闭，采用有限容积法对控制方程进行离散，其中压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风差分格式，压力和速度的耦合求解采用适用于非定常的PISO算法联立求解．叶轮流道内的水体为旋转体，蜗壳内水体为非旋转体，定常计算时采用速度进口、压力出口，速度值通过流量和进口过流面积确定，压力值通过理论扬程估算得到［8］．非定常计算时采用定常计算结果作为其初始条件，采用进口总压，出口静压作为边界条件，固体壁面为无滑移边界条件，给定固体壁面粗糙度，非定常计算中的交界面设置为TransientRotor－Stator模式．叶轮每转3.1°作为一个时间步长，时间步长为0.1782ms，叶轮旋转4个周期后计算结果趋于稳定，总计算时间为82.7586ms，因而选取第4个周期的结果用于分析．

3计算结果及分析

3.1分流叶片对泵性能及压力脉动的影响

3.1.1泵的H－Q特性对比图2为各设计方案实测扬程性能的对比．可以看出:带分流叶片设计方案的扬程比没有分流叶片设计方案提高2%～12%，且其H－Q曲线更加平坦;不同分流叶片设计方案的扬程绝对值差别不大．图2各设计方案实测性能对比Fig．2Comparisonsofperformancecurves

3.1.2泵进、出口压力脉动分析离心泵内部流动极其复杂且不稳定，其中叶片与隔舌的相互作用是产生压力脉动的重要原因，也是泵体振动及产生噪声的主要原因［9］．为了分析泵内流场压力脉动特性，定义量纲一的压力系数Cp=Δp/(0.5ρu22)，其中:Δp为监测点静压与参考压力之差;ρ为密度;u2为叶轮出口圆周速度．图3和图4分别为方案A与方案C在1.7Qd，1.0Qd和0.7Qd工况下叶轮进口、蜗壳出口处的压力脉动情况．由图3，4可以看出:由于受到叶轮与蜗壳的动静干涉作用，叶轮进口及蜗壳出口处均存在压力脉动，且周期性明显，脉动频率均为叶片扫过隔舌的频率;在叶轮进口处，方案A的压力值大于方案C的压力值，方案A在0.7Qd工况时的压力大于设计工况下的压力，且随着流量的变化压力值变化较大;方案C在0.7Qd工况时的压力则小于设计工况下的压力，压力值随流量的变化幅度较小;在蜗壳出口处，方案C的压力值大于方案A，且当工况从0.7Qd转化为1.0Qd，1.7Qd工况时，其压力变化幅度较方案A小．这说明增加分流叶片后，不仅降低了叶轮进口处的压力，而且增大了蜗壳出口处的压力，从而提高了泵的扬程．图5为不同工况下方案A和方案C在叶轮进口处及蜗壳出口处压力脉动最大幅值的对比．可以看出:叶轮进口处的压力脉动幅值明显小于蜗壳出口处，这是由于叶轮进口处的压力脉动主要受叶轮转频脉动的影响，而蜗壳出口处的压力脉动不仅受到叶轮转频脉动的影响还与叶轮与蜗壳的动静干涉有关［10］;在0.7Qd和1.0Qd工况时，方案C在叶轮进口处及蜗壳出口处的压力脉动幅值明显小于方案A，说明分流叶片可有效改善叶轮进口处及蜗壳出口处的压力脉动分布．

3.1.3叶轮－蜗壳交界面处压力脉动分析图6为设计工况下方案A和方案C在不同测点处的压力脉动情况．图中各测点波形存在相位差，其中测点P2，P4，P6，P8的相位较为一致，测点P3，P5，P7的相位较为一致，因而选择4个测点P1，P2，P5，P8进行分析．由图6可以看出:方案A和方案C在各测点处的压力脉动都呈现明显的周期性，且压力脉动频率均为叶片扫过隔舌的频率;在一个周期内，方案A的压力脉动有4个波峰波谷，而方案C的压力脉动则出现8个波峰波谷，这是因为添置分流叶片后，各测点处的压力脉动不仅受到长叶片与蜗壳的动静干涉的影响，还受到短叶片与蜗壳的动静干涉的影响;方案C的压力值明显大于方案A，且压力脉动幅度明显小于方案A，压力脉动波形更为平缓，这说明添置分流叶片后，不仅泵的扬程得到了提高，而且叶轮-蜗壳交界面处的压力脉动情况也得到了有效地改善，这是由于分流叶片改善了叶轮出口的“射流－尾流”结构［7］，从而减小了叶轮-蜗壳耦合面的压力变化梯度;相比于测点P1，各方案在测点P2，P5，P处的压力脉动波形更为平缓，这说明压力脉动在隔舌处开始沿着叶轮旋转方向逐渐减弱．

3.2不同工况下压力脉动分析图7所示为不同工况下方案C在不同测点处的压力脉动．由图可以看出:不同工况下方案C的压力脉动波形与设计工况基本一致，但大流量时压力脉动幅值最大，设计流量时压力脉动幅值最小;测点P1处的压力脉动、“射流－尾流”结构最明显，且其压力随流量的增大而增大，其余各测点处的压力均随流量的增大而减小．

3.3分流叶片进口直径对压力脉动的影响图8为设计工况下不同分流叶片设计方案在不同测点处的压力脉动情况．比较方案B，C，E可以看出:方案C，E的波形比较一致，方案B的波形存在相位差，脉动规律接近8叶片;分流叶片进口直径最小的方案B的压力值最小且压力脉动最大，而方案C的压力值最大且压力脉动最小，这说明不同的分流叶片进口直径对叶轮－蜗壳交界面处压力脉动的影响不同，且分流叶片进口直径存在最优值(Dsin=106mm)．方案D和E的压力脉动波形类似．3.4分流叶片偏置度对压力脉动的影响比较图8中的方案C和方案D可知，方案C和方案D的压力脉动规律类似，但方案C的压力值比方案D略高，且方案C对“射流－尾流”结构的改善更为明显;比较图8中各方案在不同测点处压力脉动的最大幅值可知，方案A的压力脉动幅值最大，方案C的压力脉动幅值最小，这说明合理的分流叶片设计可改善泵内的压力脉动特性．

4结论

1)通过对各设计方案的实测性能进行对比可知，带分流叶片设计方案的扬程比没有分流叶片设计方案提高2%～12%，且其H－Q曲线更加平坦，但不同分流叶片设计方案的扬程绝对值差异不大．2)分流叶片有利于降低叶轮进口压力且提高蜗壳出口压力，从而提高了泵的扬程;有利于减小叶轮进、出口处的压力脉动;有利于改善叶轮出口的“射流－尾流”结构．3)各测点处不同工况下方案C的压力脉动波形与设计工况下保持一致，且大流量时的压力脉动最大．4)不同分流叶片设计对扬程的影响趋势接近，但对非定常流动特性的影响不同．其中，方案C的扬程最高，压力脉动最小，说明分流叶片进口直径存在最优值(Dsin=106mm)．带偏置分流叶片设计的方案C的扬程略高于带不偏置分流叶片设计的方案D，二者的脉动规律类似．