导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能的影响分析

导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能的影响分析

郑计段,林灿,许浩浩,叶怀池

浙江天德泵业有限公司    浙江省温州市   325804

【摘要】为了探讨叶片与叶片的匹配关系对高速泵的工作特性的影响，采用不同叶片喉区的方法，分别设计出5种叶片与叶片相匹配的叶片。在此基础上，采用雷诺数均匀N-S方程与RNNk-ε紊流模型，开展三维数值仿真，研究不同区域比下，泵内流场特征与压力波动的关系。研究发现，在大流量条件下，随着面积比的降低，泵体的扬程和效率降低，随着面积比的降低，泵体的效率降低速度变快，非稳态工作区域和高效率点随着面积比的降低而向小流量方向迁移。在设计条件下，降低表面比对降低了叶片出口和叶片流道中的流动分离，降低了叶片的内耗，但是，在压力水腔中，液体的流速和损失都会增加，特别是在大流量时；通过减小叶片表面比例，使叶片内部轴频率范围内的低频波动减弱，使叶片内部的压力波动峰和波动振幅减小，从而使叶片频率的倍频以及高频频率向叶片出口处的传递得到了有效的抑制。本文的结论可以作为一-定的理论依据，对高速水泵的优化设计发挥出指导作用。

关键词：导叶喉部；叶轮出口面积比；高速泵；性能影响分析

叶轮与导向叶片是高速离心泵中最主要的两个水力元件，与一般的离心泵相比，在叶轮进口与导向叶片的流道中，容易出现射流、倒流、二次流、分流器等现象，这些现象对水泵的工作特性有较大的影响。由于两者之间的动态和静态干扰，会导致泵中的液体发生周期的压力波动。沿导流叶片的流向在非定常流动产生的压力波动频率与机组的自振频率相同或相近时，这将引起系统的谐振，导致导流叶片和叶轮叶片的疲劳失效，对机组的稳定运行构成威胁。

本项目拟以一台超高速泵为例，通过改变叶片喉区面积，建立5种不同的超高速泵的表面比流场，利用数值模拟的手段，分析超高速泵的外部特性、内部流场、损失和压力波动等对超高速泵性能的影响，为超高速泵的优化设计奠定理论奠定基础。

一、导叶喉部与叶轮出口面积比对高速泵性能影响的计算模型和数值计算

（一）网格划分

本项目拟采用 CFTurbo、 Creo等先进计算工具，通过合理延长水泵进出水管，使得水流得到更好的发展。计算区域包括：吸气腔、叶轮、导叶、水压腔以及入口和出口的扩展段。利用 ICEM方法，对高速水泵水域进行了网格剖分，其方法是以无结构网格剖分，具有很强的自适应能力，在网格剖分过程中，为了确保计算的准确性，在网格剖分过程中，需对网格剖分。通过格网独立度的计算，发现格网数目大于200多万时，扬程基本达到一个恒定值，且始终在1%左右上下波动。最后，为节省计算时间和提高计算效率，本文选取了约250万个单元，以确保所选的单元数量的适用性。

（二）数值计算

利用 CFX软件进行数值计算，并考虑到在流动过程中，可能会出现的流动分离和漩涡。采用RNG-ε紊流模式，可以得到更好的数值模拟结果。设定收敛精度为104，在此基础上，对该方法的收敛程度进行了分析，并对该方法进行了验证。边界条件设定：按工作需要配置升压水泵，选用压差入口，选择流速出口；在近壁面区，所有的固壁都被设定成非光滑的水平面，并使用了标准的壁面函数来进行计算。

设定定常计算结果为初始条件，以此为基础开展瞬态计算工作。为了保障数据的可靠性，每2°对高速泵计算一次，需要计算5个周期。针对不同面积比获取泵内压力脉动信号，并且在叶轮和导叶流道中的合适位置合理选择监测点。

二、结果分析

（一）试验验证

要向利用准确性的数值计算方法，需要模拟相关模型的扬程和效率，并且需要对比相关试验值。下图是高速泵扬程和效率计算结果与实验结果的对比图。可以确定数值及思源结果和试验结果之间具有较高的吻合度。其中扬程最大误差在1.9%左右。而效率最大误差在4.9%左右。从全局角度出发，数值计算和试验结果之间具有较高的重合度，说明可以在实际工作中利用这种数值计算方法，有利于提高高速泵特性预测的准确性。

外特性曲线对比

（二）结果分析

1. 面积比对扬程和效率影响：结合下图可以确定，如果面积比不同，随着增加流量之后将会随之下降泵扬程。在Ya面积比中，当流速增大（泵工作平稳）时，泵扬程曲线显示出更一致的降低速度；当截面比值减小到Ya4,Ya3时，扬程曲线随流速增大而降低的速度改变，扬程的改变速率开始从1.0 Qa到1.2 Qa的范围内降低，并且随着面积比的持续降低，扬程变化速率降低的范围也在持续降低。在0.6~0.8量子年的范围内。在Ya1的截面比例下，扬程曲线在0.4~0.6 Qa的范围内呈现出正的倾斜。在1.0 Qa~1.4 Qd范围内，扬程的降低速度随流速的降低而增加。说明在实际研究过程中，如果面积比比较小，在扬程曲线中将会出现正斜率，而且移动于小流量工况区间，同时向小流量工况区间移动泵的运行不稳定区域。从下图可以看到，在0.4 Qa~1.0 Qa的流量范围内，随着流量的增大，泵的效率也随之增大。在不同的工作条件下，在较低的面积比下，水泵的效率较高；在1.2 Qd~144 Qa的范围内， Yds,Yd4,Yd3的表面比率随着流量的增加，其效率的增长速度也随之降低，面积比Yd2、Yd1在大流量工况区间时，表现出了降低的趋势。势能，并且面积比越小，效率开始下降的速度就越快，并且拐点也更倾向于小流量工况区间。指示面随着产品比例的变化，水泵的最高效率将会受到很大的影响。

不同面积比式扬程和效率曲线

2. 流场分析：在0.4 Qa至1.2 Qa流量下，分别对5种表面比的高速泵进行了定常数值计算，并对高速泵内部流场展开了分析，图7显示的是设计工况时，不同表面比下叶轮与导叶中间部分速度流线分布。从图表中可以看到，当导叶流道的面积比为Yd5时，叶轮和导叶流道的流线是一致的，但是在叶轮的下半部，叶轮的出口边缘与导叶流道之间出现了流动的分离，并且有很多的倒流现象，这些倒流现象使得导叶流道被堵塞，从而导致导叶流能转化的效率下降。当表面比对较小时，导叶流道和导叶流道之间的漩涡直径均较小，且逆流流首先得到了改善，并朝着两者之间的空隙方向逐渐减少。当面积比持续减小到Yd1、Yd2的时候，泵内流线分布对称均匀，回流也会消失。但是，随着面积比减小，从叶轮出口进入导叶的流体速度会增加，流体冲击导叶叶片头部，使得叶轮出口流体向后偏移，厚度会增加。这表明，适当降低导叶流道与导叶流道之间的流场分布，能够有效地减少叶片与叶片的边界处的流动分离，减少叶片的涡量，从而提高叶片和叶片的流场性能。这是因为减小的区域比例，导致液体撞击到导流叶片的叶尖，将叶轮的出口液体和导流叶片的入口液体推挤在一起，从而增大了导流叶片的喉部对流入导流叶片的液体的限制，从而导致了导流叶片的流速增大。另外，由于通过叶片的流场和叶片的入口处的流场之间的碰撞减少，因此叶片的入口处和导叶流道之间的流场分离也会被削弱。

不同面积比下叶轮和导叶之间截面速度流线

结束语：

通过模拟分析不同面积比下高速泵的数值，可以确定面积比会直接影响到泵扬程和效率，减小面积比只有，将会增大扬程和效率，但是流量较大，将会降低扬程和效率的下降速度。 通过合理减小面积比，有利于控制叶轮出口和导叶流道中流动分离情况，因此降低导叶内部损失。

参考文献：

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