分流葉片偏置設(shè)計(jì)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(zhǎng)、短葉片間隔布置,可減輕葉輪進(jìn)口處排擠嚴(yán)重的現(xiàn)象,改善葉輪內(nèi)的流場(chǎng)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(jì)70年代以來(lái),帶分流葉片離心泵的研究已取得了一些有價(jià)值的成果,并在生產(chǎn)實(shí)踐中被應(yīng)用.Glc等[1]通過(guò)性能試驗(yàn)研究了深井泵中分流葉片對(duì)性能的影響規(guī)律.Kergourlay等[2]對(duì)有、無(wú)分流葉片的離心泵進(jìn)行了多工況的數(shù)值模擬,并采用壓力傳感器測(cè)量了多點(diǎn)的壓力脈動(dòng),研究表明帶分流葉片的葉輪揚(yáng)程在全流量范圍內(nèi)比普通葉輪揚(yáng)程高10%~15%,壓力脈動(dòng)明顯減小.袁壽其等[3]對(duì)分流葉片離心泵葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬,

　　并與PIV流場(chǎng)測(cè)試相互驗(yàn)證,揭示了分流葉片在離心泵內(nèi)流場(chǎng)中具有改善“射流-尾流”結(jié)構(gòu)的作用.陳松山等[4]對(duì)帶分流葉片離心泵進(jìn)行正交試驗(yàn)研究,為分流葉片的設(shè)計(jì)提供依據(jù).朱祖超[5]對(duì)長(zhǎng)、中、短葉片結(jié)合的復(fù)合葉輪進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,提出了以效率為目標(biāo)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(jì)方法.耿少娟等[6]對(duì)帶分流葉片的離心泵進(jìn)行了非定常數(shù)值分析,討論了不同葉片形式對(duì)水泵揚(yáng)程、進(jìn)出口壓力波動(dòng)的影響規(guī)律.張金鳳[7]通過(guò)多因素正交設(shè)計(jì)方案的數(shù)值預(yù)報(bào)和試驗(yàn)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(duì)改善“射流-尾流”結(jié)構(gòu)和提高離心泵性能的機(jī)理.

　　綜上所述,目前針對(duì)帶分流葉片離心泵的研究主要是對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬、PIV測(cè)試以及性能試驗(yàn)等,對(duì)于分流葉片的添置對(duì)泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性和運(yùn)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(dòng)現(xiàn)象及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng),是水泵運(yùn)行過(guò)程中最典型、最常見(jiàn)的非穩(wěn)定特性,關(guān)系到水泵機(jī)組的安全運(yùn)行,是水力機(jī)械領(lǐng)域中的重要學(xué)術(shù)與工程難題之一.文中采用Ansys-CFX軟件,對(duì)有、無(wú)分流葉片離心泵進(jìn)行全流場(chǎng)非定常數(shù)值模擬,分析有、無(wú)分流葉片以及不同分流葉片設(shè)計(jì)對(duì)泵內(nèi)非定常流動(dòng)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(jì),深入研究其內(nèi)部的流動(dòng)特性及其誘導(dǎo)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理提供一定理論依據(jù).

　　1葉輪設(shè)計(jì)方案

　　所研究模型泵的型號(hào)為IS50-32-160,流量Qd=12.5m3/h,揚(yáng)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(jìn)口直徑D1=50mm.為了驗(yàn)證添置分流葉片對(duì)泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性的影響,設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的葉輪方案,其中方案A為無(wú)分流葉片設(shè)計(jì),方案B,C,E為帶偏置分流葉片設(shè)計(jì),但分流葉片進(jìn)口直徑不同,方案D為帶不偏置分流葉片設(shè)計(jì).主要設(shè)計(jì)方案及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,表中:Zl為長(zhǎng)葉片數(shù);Zs為短葉片數(shù);Dsin為短葉片進(jìn)口直徑;θ為短葉片偏置度.

　　2數(shù)值計(jì)算方法

　　2.1計(jì)算域選取采用Pro/E軟件生成三維全流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域模型,如圖1所示.為使模擬結(jié)果更加穩(wěn)定,對(duì)葉輪進(jìn)口和蝸殼出口進(jìn)行適當(dāng)延伸,整個(gè)模型包括葉輪、蝸殼、進(jìn)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(duì)模型進(jìn)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(jìn)行加密,網(wǎng)格總數(shù)約為700000,基本滿足無(wú)關(guān)性要求.

　　2.3測(cè)點(diǎn)布置為了監(jiān)測(cè)泵內(nèi)壓力脈動(dòng),在葉輪-蝸殼交界面、葉輪進(jìn)口及蝸殼出口處布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn).其中,葉輪進(jìn)口處測(cè)點(diǎn)P10位于葉輪進(jìn)口與進(jìn)口延伸段的交界面中心位置上,蝸殼出口處測(cè)點(diǎn)P9位于蝸殼出口斷面中心處,其他測(cè)點(diǎn)位于葉輪的中間截面.各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)如表2所示.

　　2.4計(jì)算求解應(yīng)用Ansys-CFX12.1軟件進(jìn)行非定常全流場(chǎng)數(shù)值模擬,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行方程封閉,采用有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散,其中壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式,其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)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(jì)算時(shí)采用速度進(jìn)口、壓力出口,速度值通過(guò)流量和進(jìn)口過(guò)流面積確定,壓力值通過(guò)理論揚(yáng)程估算得到[8].非定常計(jì)算時(shí)采用定常計(jì)算結(jié)果作為其初始條件,采用進(jìn)口總壓,出口靜壓作為邊界條件,固體壁面為無(wú)滑移邊界條件,給定固體壁面粗糙度,非定常計(jì)算中的交界面設(shè)置為T(mén)ransientRotor-Stator模式.葉輪每轉(zhuǎn)3.1°作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),時(shí)間步長(zhǎng)為0.1782ms,葉輪旋轉(zhuǎn)4個(gè)周期后計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定,總計(jì)算時(shí)間為82.7586ms,因而選取第4個(gè)周期的結(jié)果用于分析.

　　3計(jì)算結(jié)果及分析

　　3.1分流葉片對(duì)泵性能及壓力脈動(dòng)的影響

　　3.1.1泵的H-Q特性對(duì)比圖2為各設(shè)計(jì)方案實(shí)測(cè)揚(yáng)程性能的對(duì)比.可以看出:帶分流葉片設(shè)計(jì)方案的揚(yáng)程比沒(méi)有分流葉片設(shè)計(jì)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(jì)方案的揚(yáng)程絕對(duì)值差別不大.圖2各設(shè)計(jì)方案實(shí)測(cè)性能對(duì)比Fig.2Comparisonsofperformancecurves

　　3.1.2泵進(jìn)、出口壓力脈動(dòng)分析離心泵內(nèi)部流動(dòng)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(dòng)的重要原因,也是泵體振動(dòng)及產(chǎn)生噪聲的主要原因[9].為了分析泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性,定義量綱一的壓力系數(shù)Cp=Δp/(0.5ρu22),其中:Δp為監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓與參考?jí)毫χ?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(jìn)口、蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)情況.由圖3,4可以看出:由于受到葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用,葉輪進(jìn)口及蝸殼出口處均存在壓力脈動(dòng),且周期性明顯,脈動(dòng)頻率均為葉片掃過(guò)隔舌的頻率;在葉輪進(jìn)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(shí)的壓力大于設(shè)計(jì)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(shí)的壓力則小于設(shè)計(jì)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(dāng)工況從0.7Qd轉(zhuǎn)化為1.0Qd,1.7Qd工況時(shí),其壓力變化幅度較方案A小.這說(shuō)明增加分流葉片后,不僅降低了葉輪進(jìn)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(yáng)程.圖5為不同工況下方案A和方案C在葉輪進(jìn)口處及蝸殼出口處壓力脈動(dòng)最大幅值的對(duì)比.可以看出:葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)幅值明顯小于蝸殼出口處,這是由于葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)主要受葉輪轉(zhuǎn)頻脈動(dòng)的影響,而蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)不僅受到葉輪轉(zhuǎn)頻脈動(dòng)的影響還與葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉有關(guān)[10];在0.7Qd和1.0Qd工況時(shí),方案C在葉輪進(jìn)口處及蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)幅值明顯小于方案A,說(shuō)明分流葉片可有效改善葉輪進(jìn)口處及蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)分布.

　　3.1.3葉輪-蝸殼交界面處壓力脈動(dòng)分析圖6為設(shè)計(jì)工況下方案A和方案C在不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)情況.圖中各測(cè)點(diǎn)波形存在相位差,其中測(cè)點(diǎn)P2,P4,P6,P8的相位較為一致,測(cè)點(diǎn)P3,P5,P7的相位較為一致,因而選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)P1,P2,P5,P8進(jìn)行分析.由圖6可以看出:方案A和方案C在各測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)都呈現(xiàn)明顯的周期性,且壓力脈動(dòng)頻率均為葉片掃過(guò)隔舌的頻率;在一個(gè)周期內(nèi),方案A的壓力脈動(dòng)有4個(gè)波峰波谷,而方案C的壓力脈動(dòng)則出現(xiàn)8個(gè)波峰波谷,這是因?yàn)樘碇梅至魅~片后,各測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)不僅受到長(zhǎng)葉片與蝸殼的動(dòng)靜干涉的影響,還受到短葉片與蝸殼的動(dòng)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(dòng)幅度明顯小于方案A,壓力脈動(dòng)波形更為平緩,這說(shuō)明添置分流葉片后,不僅泵的揚(yáng)程得到了提高,而且葉輪-蝸殼交界面處的壓力脈動(dòng)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(cè)點(diǎn)P1,各方案在測(cè)點(diǎn)P2,P5,P處的壓力脈動(dòng)波形更為平緩,這說(shuō)明壓力脈動(dòng)在隔舌處開(kāi)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(dòng)分析圖7所示為不同工況下方案C在不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng).由圖可以看出:不同工況下方案C的壓力脈動(dòng)波形與設(shè)計(jì)工況基本一致,但大流量時(shí)壓力脈動(dòng)幅值最大,設(shè)計(jì)流量時(shí)壓力脈動(dòng)幅值最小;測(cè)點(diǎn)P1處的壓力脈動(dòng)、“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(cè)點(diǎn)處的壓力均隨流量的增大而減小.

　　3.3分流葉片進(jìn)口直徑對(duì)壓力脈動(dòng)的影響圖8為設(shè)計(jì)工況下不同分流葉片設(shè)計(jì)方案在不同測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)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(dòng)規(guī)律接近8葉片;分流葉片進(jìn)口直徑最小的方案B的壓力值最小且壓力脈動(dòng)最大,而方案C的壓力值最大且壓力脈動(dòng)最小,這說(shuō)明不同的分流葉片進(jìn)口直徑對(duì)葉輪-蝸殼交界面處壓力脈動(dòng)的影響不同,且分流葉片進(jìn)口直徑存在最優(yōu)值(Dsin=106mm).方案D和E的壓力脈動(dòng)波形類似.3.4分流葉片偏置度對(duì)壓力脈動(dòng)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(dòng)規(guī)律類似,但方案C的壓力值比方案D略高,且方案C對(duì)“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(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)的最大幅值可知,方案A的壓力脈動(dòng)幅值最大,方案C的壓力脈動(dòng)幅值最小,這說(shuō)明合理的分流葉片設(shè)計(jì)可改善泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性.

　　4結(jié)論

　　1)通過(guò)對(duì)各設(shè)計(jì)方案的實(shí)測(cè)性能進(jìn)行對(duì)比可知,帶分流葉片設(shè)計(jì)方案的揚(yáng)程比沒(méi)有分流葉片設(shè)計(jì)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(jì)方案的揚(yáng)程絕對(duì)值差異不大.2)分流葉片有利于降低葉輪進(jìn)口壓力且提高蝸殼出口壓力,從而提高了泵的揚(yáng)程;有利于減小葉輪進(jìn)、出口處的壓力脈動(dòng);有利于改善葉輪出口的“射流-尾流”結(jié)構(gòu).3)各測(cè)點(diǎn)處不同工況下方案C的壓力脈動(dòng)波形與設(shè)計(jì)工況下保持一致,且大流量時(shí)的壓力脈動(dòng)最大.4)不同分流葉片設(shè)計(jì)對(duì)揚(yáng)程的影響趨勢(shì)接近,但對(duì)非定常流動(dòng)特性的影響不同.其中,方案C的揚(yáng)程最高,壓力脈動(dòng)最小,說(shuō)明分流葉片進(jìn)口直徑存在最優(yōu)值(Dsin=106mm).帶偏置分流葉片設(shè)計(jì)的方案C的揚(yáng)程略高于帶不偏置分流葉片設(shè)計(jì)的方案D,二者的脈動(dòng)規(guī)律類似.