分流葉片偏置設計法已成為提高低比轉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象,改善葉輪內的流場分布,有效防止尾流的產生和發展,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,并在生產實踐中被應用.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律.Kergourlay等[2]對有、無分流葉片的離心泵進行了多工況的數值模擬,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流場進行了三維湍流數值模擬,

　　并與PIV流場測試相互驗證,揭示了分流葉片在離心泵內流場中具有改善“射流-尾流”結構的作用.陳松山等[4]對帶分流葉片離心泵進行正交試驗研究,為分流葉片的設計提供依據.朱祖超[5]對長、中、短葉片結合的復合葉輪進行了理論分析和數值模擬,提出了以效率為目標函數,以抗汽蝕性和性能曲線穩定為約束條件的復合葉輪優化設計方法.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律.張金鳳[7]通過多因素正交設計方案的數值預報和試驗研究,初步揭示了帶分流葉片離心泵內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”結構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流場的數值模擬、PIV測試以及性能試驗等,對于分流葉片的添置對泵內非定常流動特性和運行穩定性的影響規律的研究還不夠深入,而離心泵內部的非定常流動現象及其誘導產生的結構振動,是水泵運行過程中最典型、最常見的非穩定特性,關系到水泵機組的安全運行,是水力機械領域中的重要學術與工程難題之一.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值模擬,分析有、無分流葉片以及不同分流葉片設計對泵內非定常流動特性的影響規律,為完善和優化帶分流葉片離心泵的設計,深入研究其內部的流動特性及其誘導振動產生的機理提供一定理論依據.

　　1葉輪設計方案

　　所研究模型泵的型號為IS50-32-160,流量Qd=12.5m3/h,揚程H=32m,轉速n=2900r/min,比轉速ns=47,規定效率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非定常流動特性的影響,設計了5個不同的葉輪方案,其中方案A為無分流葉片設計,方案B,C,E為帶偏置分流葉片設計,但分流葉片進口直徑不同,方案D為帶不偏置分流葉片設計.主要設計方案及其結構參數如表1所示,表中:Zl為長葉片數;Zs為短葉片數;Dsin為短葉片進口直徑;θ為短葉片偏置度.

　　2數值計算方法

　　2.1計算域選取采用Pro/E軟件生成三維全流場計算區域模型,如圖1所示.為使模擬結果更加穩定,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網格劃分應用CFD-ICEM軟件對模型進行網格劃分,采用非結構化四面體網格,并在隔舌處進行加密,網格總數約為700000,基本滿足無關性要求.

　　2.3測點布置為了監測泵內壓力脈動,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計算求解應用Ansys-CFX12.1軟件進行非定常全流場數值模擬,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算法聯立求解.葉輪流道內的水體為旋轉體,蝸殼內水體為非旋轉體,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置為TransientRotor-Stator模式.葉輪每轉3.1°作為一個時間步長,時間步長為0.1782ms,葉輪旋轉4個周期后計算結果趨于穩定,總計算時間為82.7586ms,因而選取第4個周期的結果用于分析.

　　3計算結果及分析

　　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為各設計方案實測揚程性能的對比.可以看出:帶分流葉片設計方案的揚程比沒有分流葉片設計方案提高2%~12%,且其H-Q曲線更加平坦;不同分流葉片設計方案的揚程絕對值差別不大.圖2各設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部流動極其復雜且不穩定,其中葉片與隔舌的相互作用是產生壓力脈動的重要原因,也是泵體振動及產生噪聲的主要原因[9].為了分析泵內流場壓力脈動特性,定義量綱一的壓力系數Cp=Δp/(0.5ρu22),其中:Δp為監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頻脈動的影響,而蝸殼出口處的壓力脈動不僅受到葉輪轉頻脈動的影響還與葉輪與蝸殼的動靜干涉有關[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,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”結構[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計工況基本一致,但大流量時壓力脈動幅值最大,設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”結構最明顯,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為設計工況下不同分流葉片設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”結構的改善更為明顯;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計可改善泵內的壓力脈動特性.

　　4結論

　　1)通過對各設計方案的實測性能進行對比可知,帶分流葉片設計方案的揚程比沒有分流葉片設計方案提高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”結構.3)各測點處不同工況下方案C的壓力脈動波形與設計工況下保持一致,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值(Dsin=106mm).帶偏置分流葉片設計的方案C的揚程略高于帶不偏置分流葉片設計的方案D,二者的脈動規律類似.