宋文武，魏立超，石建偉，楊秀鑫，許倩語(yǔ)

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

高速離心泵具有轉(zhuǎn)速高、揚(yáng)程大、流量小等特點(diǎn)，但是由于其高轉(zhuǎn)速的原因，在小流量工況下具有不穩(wěn)定性。小流量不穩(wěn)定的主要原因是由于誘導(dǎo)輪進(jìn)口的回流漩渦、葉輪中的二次流、葉輪流道內(nèi)的射流等不良現(xiàn)象引起的。其中回流漩渦對(duì)高速泵性能的影響非常大，回流漩渦會(huì)消耗大量的能量，減少離心泵的效率，從而使高速泵的機(jī)組特性曲線出現(xiàn)正斜率上升段，使水泵的機(jī)組在小流量工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1-4]。回流漩渦也會(huì)導(dǎo)致壓力脈動(dòng)，加劇水泵內(nèi)部的汽蝕，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[5]。所以改善誘導(dǎo)輪進(jìn)口的回流漩渦，可以有效地提高泵的水力性能。

P.Cooper[6]等提出在誘導(dǎo)輪進(jìn)口段前加反向穩(wěn)流器，能夠很好地解決進(jìn)口段的回流問(wèn)題。張金鳳[7]等提出在進(jìn)口段加入高壓水流，能夠有效地減弱回流漩渦的強(qiáng)度，但高壓水的注入會(huì)在一定程度上對(duì)水泵的流場(chǎng)造成不利的影響。Masao Oshima[8,9]提出在誘導(dǎo)輪進(jìn)口前加孔板的方法來(lái)削弱進(jìn)口段的回流，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了加孔板可以改善離心泵的汽蝕性能，提高了離心泵在關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程。郭曉梅[10]等通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)GSB-80/300型高速泵進(jìn)行模擬分析，確定了孔板的最佳位置、孔徑和孔板的厚度。

以上學(xué)者只針對(duì)1種環(huán)形孔板分析了對(duì)水泵中回流漩渦的影響，而改變孔板的形式是否對(duì)回流漩渦有進(jìn)一步的抑制作用，是值得思考的問(wèn)題。本文初步設(shè)計(jì)了3種新型孔板，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)這3種孔板與傳統(tǒng)型孔板進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)和水力性能的分析，選取出一個(gè)最佳的孔板形式。

1 高速離心泵模型建立

根據(jù)某高速離心泵的相關(guān)資料，利用三維建模軟件UG建立包括進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、葉輪、蝸殼、出口段的水體模型，并畫(huà)出4種不同孔板形式的進(jìn)口段，再利用ANSYS-ICEM軟件對(duì)高速泵模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在ANSYS-CFX軟件中對(duì)無(wú)孔板和不同形式的4種孔板進(jìn)行全流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析4種孔板和不加孔板情況下的流線、速度、壓力變化情況，綜合比較各個(gè)情況下的水力性能，選擇出最優(yōu)的孔板形式。

高速離心泵的模型包括進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、葉輪、蝸殼和出口段5個(gè)部分(見(jiàn)圖1)，高速泵的基本參數(shù)為流量Q=662 m3/h，揚(yáng)程H=620 m，轉(zhuǎn)速n=13 000 r/min，進(jìn)口段的半徑R=87 mm。其中誘導(dǎo)輪和葉輪的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 誘導(dǎo)輪和葉輪參數(shù)Tab.1Parameters of inducer and impeller

郭曉梅[10]運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法選取了適合GSB-80/300型高速泵的最佳孔板尺寸，通過(guò)對(duì)比2個(gè)模型泵的比轉(zhuǎn)速，進(jìn)口段的流速大小和進(jìn)口段直徑之間的關(guān)系，選取了孔板厚度10、15、20 mm 3組數(shù)據(jù)，孔板直徑1.4R、1.5R、1.6R，孔板距誘導(dǎo)輪進(jìn)口的距離選擇0.92R、1.03R、1.14R。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同孔板尺寸對(duì)進(jìn)口段回流漩渦強(qiáng)度的影響，綜合分析其壓力和速度變化情況，比較高速泵的水力效率、揚(yáng)程和軸功率的變化情況，最終選取了孔板厚度為20 mm，孔板直徑為1.5R，孔板距誘導(dǎo)輪進(jìn)口距離為1.03R的最有利的一組數(shù)據(jù)組合(R為進(jìn)口段半徑)。

圖1 高速泵三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the highJspeed pump

朱祖超[11]認(rèn)為誘導(dǎo)輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上是由于旋轉(zhuǎn)葉片邊緣處的液流圓周分速度不均勻引起的，是包含垂直于軸面的漩渦和繞流線漩渦的回旋流。史宏超、李意民[12,13]通過(guò)公式推導(dǎo)出了回流的機(jī)理，進(jìn)一步驗(yàn)證了回流是由于軸向速度Vm的減小，流體有更多的時(shí)間隨著葉輪作繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)一較大的圓周速度分量Vu。較大的圓周速度分量導(dǎo)致葉輪入口壓力分布發(fā)生變化。這種情況不僅使得葉輪入口前的壓力沿半徑方向發(fā)生變化，而且沿軸向也發(fā)生變化，并形成了壓差。只要這種壓差一形成，流體將被迫反向流動(dòng)，從而形成回流。

在高速離心泵的進(jìn)口段添加孔板，是為了抑制回流漩渦中垂直于軸面的漩渦，而此漩渦主要集中在誘導(dǎo)輪進(jìn)口的圓周上，通過(guò)添加孔板使輪緣處的回流遇到孔板的阻擋，液流被迫反向，并回到主流，從而抑制了回流漩渦。但是傳統(tǒng)型孔板的截面為長(zhǎng)方形，接觸液流的拐角都為直角形設(shè)計(jì)，在直角處會(huì)存在一定量的死水，對(duì)于液流的沖擊損失也較大，所以能量有一定的損失，從而影響對(duì)進(jìn)口段回流漩渦的控制效果。為了使進(jìn)口段的液流流動(dòng)平順，減少來(lái)流的能量損失，并且更好地抑制回流漩渦，設(shè)計(jì)了幾種拋物線形的孔板裝置，通過(guò)類(lèi)似拋物線形的過(guò)渡緩沖，會(huì)減少能量的損失，對(duì)于回流漩渦的抑制效果會(huì)有所提高。利用字母對(duì)4種形式的孔板進(jìn)行命名，A型孔板為圓環(huán)形式，B型孔板為類(lèi)似拋物線的形式，C型孔板為上半剖拋物線形式，D型孔板為下半剖拋物線形式(見(jiàn)圖2)。

2 模型求解分析

通過(guò)ANSYS-ICEM軟件對(duì)高速泵和4種不同孔板形式的進(jìn)口段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，加大了各個(gè)部分的網(wǎng)格數(shù)量。葉輪的網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)個(gè)，誘導(dǎo)輪的網(wǎng)格數(shù)為288萬(wàn)個(gè)，蝸殼的網(wǎng)格數(shù)為88萬(wàn)個(gè)，不加孔板的情況下網(wǎng)格總數(shù)為975萬(wàn)個(gè)，A型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為985萬(wàn)個(gè)，B型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為989萬(wàn)個(gè)，C型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為1 028萬(wàn)個(gè)，D型孔板模型網(wǎng)格總數(shù)為989萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，取1 020萬(wàn)個(gè)與975萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比分析，高速泵的揚(yáng)程和效率穩(wěn)定在1.2%和1.1%以內(nèi)。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖2 孔板示意Fig.2 Schematic diagram of the orifice plates

通過(guò)Ansys-CFX軟件對(duì)高速泵不同形式的孔板模型進(jìn)行分析，利用三維Navier-Stokes方程和RNGk-ε湍流模型，計(jì)算分析高速泵全流道內(nèi)的湍流流動(dòng)情況，壓強(qiáng)-速度耦合方法為

圖3 網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic diagram of grid division

SIMPLEC算法。

壁面邊界條件設(shè)置：誘導(dǎo)輪和葉輪的壁面定義為旋轉(zhuǎn)邊界，其轉(zhuǎn)速為泵的轉(zhuǎn)速，其他定義為無(wú)滑移邊界條件。進(jìn)口邊界條件采用總壓的設(shè)置，總壓采用靜壓+動(dòng)壓的設(shè)置，出口采用質(zhì)量流速作為出口的邊界條件。壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用采用二階迎風(fēng)差分格式。殘差設(shè)置為10-4。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)口段分析

通過(guò)進(jìn)口段與誘導(dǎo)輪的流線可以看出，不加孔板時(shí)的回流漩渦范圍很大，進(jìn)口段的流動(dòng)比較混亂，回流漩渦主要集中在誘導(dǎo)輪的進(jìn)口處(見(jiàn)圖4)。加了孔板之后，回流漩渦主要被控制在孔板與誘導(dǎo)輪進(jìn)口之間，大大縮短了回流漩渦影響的范圍。

圖4 不同形式孔板的流線Fig.4 Streamlines of different orifice plates

不同形式孔板之間進(jìn)行比較分析，A型孔板能夠控制回流漩渦，使回流漩渦在擋板與誘導(dǎo)輪進(jìn)口之間進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)，但其液流旋轉(zhuǎn)的速度比較高，對(duì)誘導(dǎo)輪的內(nèi)流場(chǎng)有一定的影響；B型孔板能夠有效的控制回流漩渦，使其控制在一定的范圍內(nèi)，并且其液流的速度與誘導(dǎo)輪的進(jìn)口速度相吻合，誘導(dǎo)輪的流線順暢沒(méi)有不良的漩渦，對(duì)誘導(dǎo)輪的流場(chǎng)影響也較小；C型和D型孔板的流線情況與B型孔板基本一致，流線順暢，誘導(dǎo)輪的整體流動(dòng)平穩(wěn)。

為了觀察回流漩渦的內(nèi)部情況，在進(jìn)口段沿著軸線切一個(gè)平面進(jìn)行內(nèi)部漩渦的觀察分析。從速度矢量圖可以看出(見(jiàn)圖5)，在不加孔板的情況下回流漩渦流動(dòng)混亂不穩(wěn)定，漩渦的數(shù)量也很多，并且漩渦在進(jìn)口段的影響范圍比較大。從速度矢量圖可以大概觀察到回流產(chǎn)生的過(guò)程，由于誘導(dǎo)輪的葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)液流產(chǎn)生了不均勻的作用力，使其有一部分液流回流，并帶動(dòng)主流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而形成回流漩渦。

加了孔板之后，漩渦控制在一定的范圍內(nèi)，軸線周?chē)系囊毫髁鲃?dòng)順暢沒(méi)有漩渦，漩渦主要集中在進(jìn)口段的圓周上。4種孔板進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)漩渦的控制都有一定的效果，但在A的內(nèi)部還存在少量的軸向漩渦，直角處還有一小部分死水；其他3種孔板對(duì)回流漩渦控制較好，基本消除了軸向的漩渦，液流主要繞軸線進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。綜合分析，B型、C型和D型擋板對(duì)回流漩渦的控制效果要好于A型孔板。

選擇孔板與誘導(dǎo)輪進(jìn)口之間的幾個(gè)截面(見(jiàn)圖6)，觀察軸面漩渦的變化情況。在距離誘導(dǎo)輪進(jìn)口20、50、80 mm處，垂直于軸線的3個(gè)平面，查看橫截面方向上的漩渦變化情況。無(wú)孔板的情況下，3個(gè)截面的渦旋比較多，隨著距離的減小漩渦的強(qiáng)度越來(lái)越大，影響范圍越來(lái)越廣。加了孔板之后中心的漩渦得到了有效控制，各個(gè)截面的漩渦數(shù)量和影響范圍都有所減小。

圖5 不同孔板形式的進(jìn)口段速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors at the suction connection with different orifice plates

圖6 不同孔板形式的截面Fig.6 The cross-section of different orifice plates

A型孔板對(duì)軸面中心處的漩渦有所改善，中心部分的漩渦明顯減少，但在20和50 mm處的截面還存在漩渦，而且此漩渦強(qiáng)度還比較大。從B、C、D型孔板的橫截面可以看出，其控制漩渦的效果要優(yōu)于A型孔板，在50mm和80mm的截面中心區(qū)域基本沒(méi)有不良的漩渦存在，只在20 mm截面處存在微小的漩渦。從80 到20 mm，從沒(méi)有漩渦到有了漩渦，而且漩渦強(qiáng)度也在不斷加大。

通過(guò)對(duì)進(jìn)口段液流的分析，比較了4種不同形式孔板對(duì)回流漩渦的影響，其中A型孔板對(duì)回流漩渦有一定的控制作用，但其流道內(nèi)還會(huì)有部分不良流動(dòng)的漩渦存在，對(duì)整體的流場(chǎng)造成不利的影響。而其他3個(gè)孔板對(duì)回流漩渦控制效果要優(yōu)于A型孔板。

3.2 誘導(dǎo)輪分析

回流漩渦的大小會(huì)對(duì)誘導(dǎo)輪的葉輪產(chǎn)生影響，由于回流漩渦的水力損失，使誘導(dǎo)輪葉輪進(jìn)口前緣處產(chǎn)生了一小部分低壓區(qū)，增加了發(fā)生空蝕的幾率。

觀察不同孔板形式下的誘導(dǎo)輪靜壓變化情況(見(jiàn)圖7)，從誘導(dǎo)輪的整體壓力來(lái)看，誘導(dǎo)輪的壓力從進(jìn)口到出口是一個(gè)逐漸增加的過(guò)程，說(shuō)明誘導(dǎo)輪起到了一個(gè)加壓的作用。觀察誘導(dǎo)輪吸力面的壓力，從進(jìn)口到出口壓力逐漸變大，其中在誘導(dǎo)輪葉輪進(jìn)口前緣處存在一小部分的低壓區(qū)，此低壓區(qū)的存在會(huì)增加其發(fā)生汽蝕的幾率；壓力面的壓力變化是從輪轂到輪緣逐步增大，沒(méi)有不良的低壓區(qū)域。

加了孔板之后，葉輪進(jìn)口前緣處的低壓區(qū)域明顯減小，說(shuō)明孔板控制了回流漩渦，對(duì)誘導(dǎo)輪葉輪壓力是有影響的，從而進(jìn)一步說(shuō)明回流漩渦是產(chǎn)生誘導(dǎo)輪進(jìn)口低壓的重要因素。4種不同形式的孔板進(jìn)行比較，A型孔板對(duì)葉輪進(jìn)口前緣處的低壓區(qū)有控制作用，但是在葉輪的中部出現(xiàn)了一小塊低壓區(qū)，增加了此處發(fā)生空蝕空化的幾率。B型孔板對(duì)于葉輪前緣處的低壓區(qū)控制效果與A型孔板基本一致，但其葉輪中部并沒(méi)有不良的低壓區(qū)域，相比較A型孔板，B型孔板對(duì)誘導(dǎo)輪低壓區(qū)的控制效果要好于A型孔板，C型與D型孔板的效果與B型孔板基本一致。

圖7 誘導(dǎo)輪輪葉壓力分布Fig.7 Pressure distribution in the inducer

在誘導(dǎo)輪的軸面上切一個(gè)平面(見(jiàn)圖8)，此平面處在誘導(dǎo)輪進(jìn)口前緣處，因?yàn)榛亓麂鰷u主要產(chǎn)生在誘導(dǎo)輪的進(jìn)口前緣處，主要觀察誘導(dǎo)輪內(nèi)部的液流變化情況，分析不同形式的孔板對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

圖8 誘導(dǎo)輪截面Fig.8 The cross-section of the inducer

通過(guò)觀察誘導(dǎo)輪內(nèi)部速度矢量圖(見(jiàn)圖9)，在不加孔板的情況下，誘導(dǎo)輪進(jìn)口處的圓周上會(huì)有回流漩渦的影響，其中流道內(nèi)靠近輪轂處也有小部分的漩渦。加了孔板之后誘導(dǎo)輪進(jìn)口處的回流漩渦明顯減小。A型孔板對(duì)于進(jìn)口處回流漩渦的控制效果最明顯，很大的減弱了進(jìn)口處的漩渦強(qiáng)度，但其在誘導(dǎo)輪的流道和出口處會(huì)有小部分漩渦的存在，影響了誘導(dǎo)輪整個(gè)流場(chǎng)的平穩(wěn)流動(dòng)。B型孔板對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)口處的回流漩渦有控制作用，與A型孔板相比對(duì)進(jìn)口處回流漩渦的控制稍微差一點(diǎn)，但其流道內(nèi)沒(méi)有不良的漩渦存在，液流流動(dòng)順暢，變化均勻。C型、D型孔板與B型孔板的速度矢量圖基本類(lèi)似，對(duì)漩渦的控制都有一定的效果。

圖9 誘導(dǎo)輪橫截面速度矢量Fig.9 Velocity vectors at the cross-section of the inducer

綜上所述，4種孔板形式對(duì)誘導(dǎo)輪葉輪進(jìn)口前緣處的低壓區(qū)都有控制作用，相比較之下B型、C型和D型孔板對(duì)整個(gè)誘導(dǎo)輪葉輪的低壓區(qū)有較好的改善作用；分析對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)部流場(chǎng)的影響，A型孔板對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)口處的回流漩渦有較好的控制作用，但其誘導(dǎo)輪的內(nèi)部流動(dòng)存在小部分的漩渦帶，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)有一定的影響，而B(niǎo)型、C型與D型孔板雖然對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)口處的漩渦控制效果沒(méi)有A型孔板好，但其誘導(dǎo)輪內(nèi)部流動(dòng)順暢，沒(méi)有不良的漩渦，整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)均勻平穩(wěn)。

3.3 高速泵性能分析

根據(jù)高速泵的揚(yáng)程和效率計(jì)算公式，計(jì)算得到此高速泵的性能曲線。

從揚(yáng)程曲線(見(jiàn)圖10)可以看出，無(wú)孔板和有孔板的規(guī)律一致，隨著流量的增加揚(yáng)程呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)。加孔板與不加孔板時(shí)的揚(yáng)程有一定的變化，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，A型、C型孔板與不加孔板的揚(yáng)程相差10 m左右，B型與D型孔板的揚(yáng)程下降明顯；在0.6Qd時(shí)，C型孔板的揚(yáng)程要高于A型孔板13 m；在大流量工況下，不加孔板的揚(yáng)程要高于加了孔板的揚(yáng)程，說(shuō)明大流量下孔板有減小高速泵揚(yáng)程的作用。

圖10 揚(yáng)程流量曲線Fig.10 Curve of flow-head

觀察效率曲線(見(jiàn)圖11)能夠看出，效率隨著流量的增加呈現(xiàn)先是增加后下降的趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近效率達(dá)到了最大值。4種孔板形式都有提升高速泵效率的作用，說(shuō)明加了孔板之后是有利于改善高速泵的水力性能。4種不同形式的孔板進(jìn)行比較，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下，A型和C型孔板效率提高將近5%，A型與C型孔板之間的效率相差0.3%，B型與D型孔板效率也提高了4%。在小流量工況下，加孔板之后，效率有明顯的提升；在大于1.2Qd時(shí)，C型孔板的效率要高于其他3種孔板，在1.4Qd時(shí)C型孔板高出A型孔板2.2%，所以在大流量的情況下C型孔板具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖11 效率流量曲線Fig.11 Curve of flow-efficiency

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)進(jìn)口段的流線、速度矢量和不同截面的流動(dòng)情況的分析，比較不同孔板之間對(duì)回流漩渦的控制效果。A型孔板雖然對(duì)回流漩渦有一定的控制作用，但其在進(jìn)口段還存在少量軸向和徑向的漩渦，并且對(duì)誘導(dǎo)輪的外流場(chǎng)有不良的影響；B型、C型和D型對(duì)回流漩渦的控制良好，內(nèi)部漩渦減弱明顯，流動(dòng)順暢，對(duì)于誘導(dǎo)輪的整個(gè)流場(chǎng)影響較小。

(2)對(duì)比分析誘導(dǎo)輪壓力和速度矢量變化情況，4種孔板對(duì)于誘導(dǎo)輪進(jìn)口前緣的低壓區(qū)和回流漩渦都有明顯的控制效果，但A型孔板在輪葉中部存在小部分的低壓區(qū)，增加其發(fā)生空蝕空化的幾率，并且誘導(dǎo)輪內(nèi)部有少許的渦團(tuán)存在，會(huì)對(duì)誘導(dǎo)輪的內(nèi)部流動(dòng)有一定的影響，綜合比較，B型、C型和D型孔板要優(yōu)于A型孔板。

(3)通過(guò)對(duì)高速泵揚(yáng)程曲線的分析，在小流量到設(shè)計(jì)流量的情況下，C型孔板對(duì)揚(yáng)程的提高有一定的作用，在大流量情況下，不加孔板時(shí)的揚(yáng)程更高，所以要想獲得比較高的揚(yáng)程，要綜合考慮孔板的形式。效率曲線分析，在小流量的工況下，A型孔板的效率要略高于C型孔板；在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，A型和C型的效率相差甚微；而在大流量的工況下C型孔板對(duì)于提高效率的優(yōu)勢(shì)更明顯。

通過(guò)對(duì)進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪和高速泵水力性能的綜合對(duì)比分析，C型孔板在各個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)要高于傳統(tǒng)A型孔板。

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