王輝，魏清希，史鳳霞

（1. 西安泵閥總廠有限公司，西安 710025； 2. 蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050）

旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特征是整個葉輪退縮在泵體流道后面的泵腔內(nèi)，葉輪旋轉(zhuǎn)時在葉輪前面的無葉腔內(nèi)形成貫通流和循環(huán)流。貫通流通過葉輪葉片間流道進(jìn)入泵室而流出，循環(huán)流則在無葉腔內(nèi)循環(huán)。由于葉輪后縮于泵體流道的后側(cè)，故泵體流道進(jìn)水側(cè)有較大的自由通道，無堵塞性能好，適用于輸送易于纏繞、盤卷的長纖維、膠粒或含有大量顆粒的固液兩相物料。旋流泵效率普遍低于普通離心泵[1-2]，近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究[3-10]和數(shù)值模擬分析[11-15]，研究其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵性能的影響，進(jìn)而完善旋流泵的理論及設(shè)計(jì)方法。本文使用5種不同結(jié)構(gòu)型式的葉輪匹配同一泵體，采用流場模擬軟件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，對泵的外特性進(jìn)行模擬分析，得出旋流泵不同結(jié)構(gòu)型式的葉輪對性能影響的變化規(guī)律。

1 旋流泵葉輪結(jié)構(gòu)型式定義

如圖1 所示，假定旋流泵葉片從進(jìn)口開始傾斜的斜角用θ 表示，同旋轉(zhuǎn)方向的斜角在θ 前加F，反旋轉(zhuǎn)方向的斜角在θ 前加R。分別在葉片進(jìn)口處和靠近出口處開始第一段和第二段傾斜，只在進(jìn)口處傾斜為單斜葉片（R30），進(jìn)口處和靠近出口處均傾斜為雙向斜葉片（R15-F30、R15-F60、R30-F30、R30-F60）。

圖1 分段雙向斜葉片示意Fig.1 Schematic diagram of piecewise bidirectional oblique blade

2 旋流泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬

2.1 旋流泵模型建立與網(wǎng)格劃分

旋流泵內(nèi)部流動可認(rèn)為是復(fù)雜的三維不可壓湍流流動，是以定常角速度繞固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)流場，對不同方案的模型泵內(nèi)部流動進(jìn)行定常模擬數(shù)值計(jì)算，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)к-ε 湍流模型對三維雷諾時均N-S 方程進(jìn)行求解。

如圖2 所示，將內(nèi)部流動區(qū)域劃分為進(jìn)口域（inlet）、轉(zhuǎn)子域（rn）和壓出域（outlet）三個區(qū)域。采用Simerics MP+內(nèi)置的基于二叉樹算法的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)（也稱為CAB 算法）對各計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度，對轉(zhuǎn)子域和各個交互面進(jìn)行網(wǎng)格加密設(shè)置，設(shè)置inlet 最大網(wǎng)格控制精度0.005，rn 和outlet 最大網(wǎng)格控制精度0.002，最終劃分網(wǎng)格總數(shù)20 171 475。

2.2 邊界條件設(shè)定

（1）進(jìn)口邊界條件

進(jìn)口無預(yù)旋，切向速度與徑向速度為零，進(jìn)口邊界設(shè)定為壓力條件為P1=101 325 Pa，在進(jìn)口截面上均勻分布。

（2）出口邊界條件

出口選用自由出流條件，邊界流動已發(fā)展充分，假定在出口截面上滿足所有流動變量具有零擴(kuò)散通量，出口邊界設(shè)定為流量條件為流量Q。

（3）壁面邊界條件

湍流求解在固體壁面上使用無滑移條件，壁面邊界條件采用黏性流體無滑移邊界，在近固體壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法。

3 模擬結(jié)算結(jié)果及分析

3.1 不同葉輪型式的H-Q關(guān)系分析

圖3 為不同結(jié)構(gòu)型式葉輪的H-Q 模擬結(jié)果，可以看出：當(dāng)流量超過某一值時，旋流泵揚(yáng)程出現(xiàn)陡降；R15-F60、R30-F60 兩種葉輪型式的揚(yáng)程陡降轉(zhuǎn)折點(diǎn)流量幾乎一致，為65 m3/ h；R15-F30、R30-F30 兩種葉輪型式的揚(yáng)程陡降轉(zhuǎn)折點(diǎn)流量幾乎一致，為75 m3/h；R30 葉輪的揚(yáng)程陡降轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)流量為70 m3/h；R-F 型式葉輪，當(dāng)R 一定時，隨著F 的增大，泵揚(yáng)程增加（揚(yáng)程：R15-F60 ＞R15-F30，R30-F60 ＞R30-F30）；

圖3 不同葉輪型式的H-Q 曲線Fig.3 H-Q curves of different impeller types

3.2 不同葉輪型式的η-Q關(guān)系分析

圖4 為不同結(jié)構(gòu)型式葉輪的η-Q 模擬結(jié)果，可以看出：R30、R15-F60 和R30-F60 三種葉輪型式最佳效率點(diǎn)流量幾乎一致，為65 m3/h，且R15-F60 葉輪的效率整體優(yōu)于R30-F60；R15-F30 和R30-F30 兩種葉輪型式最佳效率點(diǎn)流量幾乎一致，為75 m3/h，且R30-F30 葉輪的效率整體優(yōu)于R15-F30；R30-F30表現(xiàn)出最佳的水力性能，為最佳葉輪型式。

圖4 不同葉輪型式的η-Q 曲線Fig.4 η-Q curves of different impeller types

4 結(jié)論

（1）當(dāng)流量大于最佳效率點(diǎn)流量時，旋流泵揚(yáng)程會發(fā)生陡降。

（2）R-F 型式葉輪，當(dāng)R 一定時，隨著F 的增大，泵揚(yáng)程增加。

（3）當(dāng)R=15 時，隨著F 的增大，其效率明顯提高，且高效點(diǎn)向小流量偏移。

（4）當(dāng)R=30 時，隨著F 的增大，其效率明顯降低，且高效點(diǎn)向小流量偏移。

（5）R30 型式的單斜葉片，揚(yáng)程最低，其效率在最佳效率點(diǎn)流量前幾乎與R30-F30 一致，流量大于最佳效率點(diǎn)流量后，其效率明顯降低；

（6）R30-F30 型式的雙向斜葉片表現(xiàn)出的外特性整體優(yōu)于其他葉輪型式，為最佳葉輪結(jié)構(gòu)型式。