分流葉片偏置設(shè)計法已成為提高低比轉(zhuǎn)速離心泵性能的主要方法之一,該方法采用長、短葉片間隔布置,可減輕葉輪進口處排擠嚴重的現(xiàn)象,改善葉輪內(nèi)的流場分布,有效防止尾流的產(chǎn)生和發(fā)展,提高泵的性能.自20世紀70年代以來,帶分流葉片離心泵的研究已取得了一些有價值的成果,并在生產(chǎn)實踐中被應(yīng)用.Glc等[1]通過性能試驗研究了深井泵中分流葉片對性能的影響規(guī)律.Kergourlay等[2]對有、無分流葉片的離心泵進行了多工況的數(shù)值模擬,并采用壓力傳感器測量了多點的壓力脈動,研究表明帶分流葉片的葉輪揚程在全流量范圍內(nèi)比普通葉輪揚程高10%~15%,壓力脈動明顯減小.袁壽其等[3]對分流葉片離心泵葉輪內(nèi)流場進行了三維湍流數(shù)值模擬,

　　并與PIV流場測試相互驗證,揭示了分流葉片在離心泵內(nèi)流場中具有改善“射流-尾流”結(jié)構(gòu)的作用.陳松山等[4]對帶分流葉片離心泵進行正交試驗研究,為分流葉片的設(shè)計提供依據(jù).朱祖超[5]對長、中、短葉片結(jié)合的復(fù)合葉輪進行了理論分析和數(shù)值模擬,提出了以效率為目標函數(shù),以抗汽蝕性和性能曲線穩(wěn)定為約束條件的復(fù)合葉輪優(yōu)化設(shè)計方法.耿少娟等[6]對帶分流葉片的離心泵進行了非定常數(shù)值分析,討論了不同葉片形式對水泵揚程、進出口壓力波動的影響規(guī)律.張金鳳[7]通過多因素正交設(shè)計方案的數(shù)值預(yù)報和試驗研究,初步揭示了帶分流葉片離心泵內(nèi)部三維非定常湍流特性,以及分流葉片的添置對改善“射流-尾流”結(jié)構(gòu)和提高離心泵性能的機理.

　　綜上所述,目前針對帶分流葉片離心泵的研究主要是對其內(nèi)流場的數(shù)值模擬、PIV測試以及性能試驗等,對于分流葉片的添置對泵內(nèi)非定常流動特性和運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律的研究還不夠深入,而離心泵內(nèi)部的非定常流動現(xiàn)象及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動,是水泵運行過程中最典型、最常見的非穩(wěn)定特性,關(guān)系到水泵機組的安全運行,是水力機械領(lǐng)域中的重要學術(shù)與工程難題之一.文中采用Ansys-CFX軟件,對有、無分流葉片離心泵進行全流場非定常數(shù)值模擬,分析有、無分流葉片以及不同分流葉片設(shè)計對泵內(nèi)非定常流動特性的影響規(guī)律,為完善和優(yōu)化帶分流葉片離心泵的設(shè)計,深入研究其內(nèi)部的流動特性及其誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的機理提供一定理論依據(jù).

　　1葉輪設(shè)計方案

　　所研究模型泵的型號為IS50-32-160,流量Qd=12.5m3/h,揚程H=32m,轉(zhuǎn)速n=2900r/min,比轉(zhuǎn)速ns=47,規(guī)定效率η=56%,配套功率P=3kW.葉輪為閉式,葉輪外徑D2=160mm,葉輪出口寬度b2=6mm,葉輪進口直徑D1=50mm.為了驗證添置分流葉片對泵內(nèi)非定常流動特性的影響,設(shè)計了5個不同的葉輪方案,其中方案A為無分流葉片設(shè)計,方案B,C,E為帶偏置分流葉片設(shè)計,但分流葉片進口直徑不同,方案D為帶不偏置分流葉片設(shè)計.主要設(shè)計方案及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,表中:Zl為長葉片數(shù);Zs為短葉片數(shù);Dsin為短葉片進口直徑;θ為短葉片偏置度.

　　2數(shù)值計算方法

　　2.1計算域選取采用Pro/E軟件生成三維全流場計算區(qū)域模型,如圖1所示.為使模擬結(jié)果更加穩(wěn)定,對葉輪進口和蝸殼出口進行適當延伸,整個模型包括葉輪、蝸殼、進出口延伸段以及前后蓋板腔體.

　　2.2網(wǎng)格劃分應(yīng)用CFD-ICEM軟件對模型進行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,并在隔舌處進行加密,網(wǎng)格總數(shù)約為700000,基本滿足無關(guān)性要求.

　　2.3測點布置為了監(jiān)測泵內(nèi)壓力脈動,在葉輪-蝸殼交界面、葉輪進口及蝸殼出口處布置了10個測點.其中,葉輪進口處測點P10位于葉輪進口與進口延伸段的交界面中心位置上,蝸殼出口處測點P9位于蝸殼出口斷面中心處,其他測點位于葉輪的中間截面.各測點的坐標如表2所示.

　　2.4計算求解應(yīng)用Ansys-CFX12.1軟件進行非定常全流場數(shù)值模擬,采用標準k-ε湍流模型進行方程封閉,采用有限容積法對控制方程進行離散,其中壓力項采用二階中心差分格式,其他項采用二階迎風差分格式,壓力和速度的耦合求解采用適用于非定常的PISO算法聯(lián)立求解.葉輪流道內(nèi)的水體為旋轉(zhuǎn)體,蝸殼內(nèi)水體為非旋轉(zhuǎn)體,定常計算時采用速度進口、壓力出口,速度值通過流量和進口過流面積確定,壓力值通過理論揚程估算得到[8].非定常計算時采用定常計算結(jié)果作為其初始條件,采用進口總壓,出口靜壓作為邊界條件,固體壁面為無滑移邊界條件,給定固體壁面粗糙度,非定常計算中的交界面設(shè)置為TransientRotor-Stator模式.葉輪每轉(zhuǎn)3.1°作為一個時間步長,時間步長為0.1782ms,葉輪旋轉(zhuǎn)4個周期后計算結(jié)果趨于穩(wěn)定,總計算時間為82.7586ms,因而選取第4個周期的結(jié)果用于分析.

　　3計算結(jié)果及分析

　　3.1分流葉片對泵性能及壓力脈動的影響

　　3.1.1泵的H-Q特性對比圖2為各設(shè)計方案實測揚程性能的對比.可以看出:帶分流葉片設(shè)計方案的揚程比沒有分流葉片設(shè)計方案提高2%~12%,且其H-Q曲線更加平坦;不同分流葉片設(shè)計方案的揚程絕對值差別不大.圖2各設(shè)計方案實測性能對比Fig.2Comparisonsofperformancecurves

　　3.1.2泵進、出口壓力脈動分析離心泵內(nèi)部流動極其復(fù)雜且不穩(wěn)定,其中葉片與隔舌的相互作用是產(chǎn)生壓力脈動的重要原因,也是泵體振動及產(chǎn)生噪聲的主要原因[9].為了分析泵內(nèi)流場壓力脈動特性,定義量綱一的壓力系數(shù)Cp=Δp/(0.5ρu22),其中:Δp為監(jiān)測點靜壓與參考壓力之差;ρ為密度;u2為葉輪出口圓周速度.圖3和圖4分別為方案A與方案C在1.7Qd,1.0Qd和0.7Qd工況下葉輪進口、蝸殼出口處的壓力脈動情況.由圖3,4可以看出:由于受到葉輪與蝸殼的動靜干涉作用,葉輪進口及蝸殼出口處均存在壓力脈動,且周期性明顯,脈動頻率均為葉片掃過隔舌的頻率;在葉輪進口處,方案A的壓力值大于方案C的壓力值,方案A在0.7Qd工況時的壓力大于設(shè)計工況下的壓力,且隨著流量的變化壓力值變化較大;方案C在0.7Qd工況時的壓力則小于設(shè)計工況下的壓力,壓力值隨流量的變化幅度較小;在蝸殼出口處,方案C的壓力值大于方案A,且當工況從0.7Qd轉(zhuǎn)化為1.0Qd,1.7Qd工況時,其壓力變化幅度較方案A小.這說明增加分流葉片后,不僅降低了葉輪進口處的壓力,而且增大了蝸殼出口處的壓力,從而提高了泵的揚程.圖5為不同工況下方案A和方案C在葉輪進口處及蝸殼出口處壓力脈動最大幅值的對比.可以看出:葉輪進口處的壓力脈動幅值明顯小于蝸殼出口處,這是由于葉輪進口處的壓力脈動主要受葉輪轉(zhuǎn)頻脈動的影響,而蝸殼出口處的壓力脈動不僅受到葉輪轉(zhuǎn)頻脈動的影響還與葉輪與蝸殼的動靜干涉有關(guān)[10];在0.7Qd和1.0Qd工況時,方案C在葉輪進口處及蝸殼出口處的壓力脈動幅值明顯小于方案A,說明分流葉片可有效改善葉輪進口處及蝸殼出口處的壓力脈動分布.

　　3.1.3葉輪-蝸殼交界面處壓力脈動分析圖6為設(shè)計工況下方案A和方案C在不同測點處的壓力脈動情況.圖中各測點波形存在相位差,其中測點P2,P4,P6,P8的相位較為一致,測點P3,P5,P7的相位較為一致,因而選擇4個測點P1,P2,P5,P8進行分析.由圖6可以看出:方案A和方案C在各測點處的壓力脈動都呈現(xiàn)明顯的周期性,且壓力脈動頻率均為葉片掃過隔舌的頻率;在一個周期內(nèi),方案A的壓力脈動有4個波峰波谷,而方案C的壓力脈動則出現(xiàn)8個波峰波谷,這是因為添置分流葉片后,各測點處的壓力脈動不僅受到長葉片與蝸殼的動靜干涉的影響,還受到短葉片與蝸殼的動靜干涉的影響;方案C的壓力值明顯大于方案A,且壓力脈動幅度明顯小于方案A,壓力脈動波形更為平緩,這說明添置分流葉片后,不僅泵的揚程得到了提高,而且葉輪-蝸殼交界面處的壓力脈動情況也得到了有效地改善,這是由于分流葉片改善了葉輪出口的“射流-尾流”結(jié)構(gòu)[7],從而減小了葉輪-蝸殼耦合面的壓力變化梯度;相比于測點P1,各方案在測點P2,P5,P處的壓力脈動波形更為平緩,這說明壓力脈動在隔舌處開始沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向逐漸減弱.

　　3.2不同工況下壓力脈動分析圖7所示為不同工況下方案C在不同測點處的壓力脈動.由圖可以看出:不同工況下方案C的壓力脈動波形與設(shè)計工況基本一致,但大流量時壓力脈動幅值最大,設(shè)計流量時壓力脈動幅值最小;測點P1處的壓力脈動、“射流-尾流”結(jié)構(gòu)最明顯,且其壓力隨流量的增大而增大,其余各測點處的壓力均隨流量的增大而減小.

　　3.3分流葉片進口直徑對壓力脈動的影響圖8為設(shè)計工況下不同分流葉片設(shè)計方案在不同測點處的壓力脈動情況.比較方案B,C,E可以看出:方案C,E的波形比較一致,方案B的波形存在相位差,脈動規(guī)律接近8葉片;分流葉片進口直徑最小的方案B的壓力值最小且壓力脈動最大,而方案C的壓力值最大且壓力脈動最小,這說明不同的分流葉片進口直徑對葉輪-蝸殼交界面處壓力脈動的影響不同,且分流葉片進口直徑存在最優(yōu)值(Dsin=106mm).方案D和E的壓力脈動波形類似.3.4分流葉片偏置度對壓力脈動的影響比較圖8中的方案C和方案D可知,方案C和方案D的壓力脈動規(guī)律類似,但方案C的壓力值比方案D略高,且方案C對“射流-尾流”結(jié)構(gòu)的改善更為明顯;比較圖8中各方案在不同測點處壓力脈動的最大幅值可知,方案A的壓力脈動幅值最大,方案C的壓力脈動幅值最小,這說明合理的分流葉片設(shè)計可改善泵內(nèi)的壓力脈動特性.

　　4結(jié)論

　　1)通過對各設(shè)計方案的實測性能進行對比可知,帶分流葉片設(shè)計方案的揚程比沒有分流葉片設(shè)計方案提高2%~12%,且其H-Q曲線更加平坦,但不同分流葉片設(shè)計方案的揚程絕對值差異不大.2)分流葉片有利于降低葉輪進口壓力且提高蝸殼出口壓力,從而提高了泵的揚程;有利于減小葉輪進、出口處的壓力脈動;有利于改善葉輪出口的“射流-尾流”結(jié)構(gòu).3)各測點處不同工況下方案C的壓力脈動波形與設(shè)計工況下保持一致,且大流量時的壓力脈動最大.4)不同分流葉片設(shè)計對揚程的影響趨勢接近,但對非定常流動特性的影響不同.其中,方案C的揚程最高,壓力脈動最小,說明分流葉片進口直徑存在最優(yōu)值(Dsin=106mm).帶偏置分流葉片設(shè)計的方案C的揚程略高于帶不偏置分流葉片設(shè)計的方案D,二者的脈動規(guī)律類似.