陳建芳，施衛(wèi)東，張德勝

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 3. 南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

葉輪葉片數(shù)越少，葉輪流道橫截面積越大，泵的無堵塞和抗纏繞性能越好[1]，因此，單葉片離心泵非常適合于輸送具有長纖維及大顆粒物質(zhì)的介質(zhì).近年來，許多學(xué)者對單葉片離心泵進行了研究.AUVINEN等[2-3]利用FINFLO軟件分別采用定常和非定常方法模擬了單葉片泵內(nèi)的瞬態(tài)流動.NISHI等[4-5]采用LDV試驗和CFD方法研究了單葉片葉輪內(nèi)部流場，2種方法在絕對速度的徑向分量上存在差異，但對泵性能和切向分量的評價較為一致.PEI等[6-8]采用數(shù)值計算和試驗方法研究了單葉片離心泵在非設(shè)計條件下流動引起的振動情況，并預(yù)測了多工況下單葉片泵的瞬態(tài)壓力變化.STEFFEN等[9]采用基于電磁流量計的一種新測量方法對單葉片離心泵回路中的流量和壓力進行測試，發(fā)現(xiàn)在泵的整個工作范圍內(nèi)，壓力和流量波動呈相似的趨勢.

葉片進口邊適當(dāng)向泵入口延伸，使液體提前受到葉片作用，可以減小葉輪外徑，有利于提高葉輪抗汽蝕性能和減小特性曲線的駝峰[10].羅先武等[11]研究認為，將葉片的進口邊適當(dāng)延伸以保證流體在葉輪進口的流動均勻性，可改善離心泵的抗空化性能.周嶺等[12]研究表明適當(dāng)把葉片進口邊進行延伸可減小葉輪出口湍流強度和改善流場分布.楊萬勇等[13]設(shè)計了5種不同葉片進口邊位置的葉輪，研究表明，葉片進口邊向出口方向延伸可改善空化性能，但延伸過多會降低葉片的做功能力.

以上研究主要集中于多葉片離心泵，而有關(guān)單葉片離心泵葉片進口邊位置對其性能影響的文獻鮮見報道，文中為一臺單葉片離心泵設(shè)計6種不同進口邊位置的葉輪，采用數(shù)值計算和試驗方法分析葉片進口邊位置對單葉片離心泵性能的影響.

1 幾何模型及葉輪形式

所研究的單葉片離心泵的設(shè)計性能參數(shù)分別為流量Qd=20 m3/h，揚程H=11 m，轉(zhuǎn)速n=2 940 r/min.圖1為該水泵(葉輪去掉前蓋板)的示意圖，其中葉輪的進口、出口直徑分別為45，125 mm，葉輪出口寬度為31 mm，葉片包角為360°，葉片出口安放角為18°；蝸殼進口直徑為135 mm，蝸殼進口寬度為46 mm.圖2為其中一個葉輪的三維模型.

圖1 水泵二維圖

圖2 葉輪三維模型

在保持葉輪外形尺寸不變的前提下，根據(jù)葉片進口邊的位置，設(shè)計了6種不同葉片進口邊位置的葉輪，如圖3所示.

圖3 葉輪軸面投影

葉輪用進口邊位置的數(shù)字組合表示，如葉輪12，即進口邊分別沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸.當(dāng)葉片進口邊與軸線不平行時，葉片進口邊上各點的半徑不同，圓周速度也不相同，此時相應(yīng)各點的相對速度及流動角不同，導(dǎo)致葉片進口安放角沿進口邊不同[14]，文中軸面流線的進口安放角從前蓋板到后蓋板逐漸增大.圖3a中線段12，13和14與軸線的夾角分別為0°，10°和21°，圖3b中線段53，13，63和73與軸線的夾角分別為16°，10°，5°和0°.

圖4為進口邊位置不同的葉片示意圖，可以看出，隨著進口邊向泵入口的延伸增大了葉片面積，同時對葉片進口寬度也有一定影響.

圖4 進口邊位置不同的葉片

2 數(shù)值計算

2.1 計算區(qū)域

圖5為單葉片離心泵全流場計算區(qū)域，對各過流部件進行三維建模，為確保泵進出口流動的穩(wěn)定性，使其流動更加接近真實流動狀態(tài)，分別對葉輪進口和蝸殼出口進行5倍于管徑的延伸[15].

圖5 計算區(qū)域

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS CFX前處理軟件ICEM對泵計算域進行網(wǎng)格劃分，其中蝸殼計算域和葉輪計算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對葉片壁面和隔舌附近進行網(wǎng)格加密.流體域所有網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3.對各過流表面進行邊界層網(wǎng)格劃分，保證距離壁面的y+在80左右.

以額定工況下泵揚程和效率為指標進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，結(jié)果如圖6所示，可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)N的增大，數(shù)值計算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定.網(wǎng)格數(shù)的增大會增加計算時間并且對計算機的配置有更高的要求，文中最終確定網(wǎng)格總數(shù)約為280萬以進行后續(xù)計算.

圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.3 數(shù)值計算方案

應(yīng)用ANSYS CFX軟件對單葉片離心泵全流場進行數(shù)值計算，采用標準k-ε湍流模型，控制方程為連續(xù)性方程和動量方程，其中動量方程對于泵內(nèi)復(fù)雜的三維湍流運動采用雷諾平均RANS方程.近壁區(qū)采用“scalable wall function”函數(shù)，假設(shè)壁面為無滑移邊界條件，壁面粗糙度設(shè)為50 μm.采用總壓進口和質(zhì)量流量出口邊界條件.采用多坐標參考系，設(shè)葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其他計算域為靜止域，旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間采用“Frozen Rotor”模式[16]，計算收斂殘差設(shè)為10-4.

2.4 試驗驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的可靠性，以葉輪14為試驗葉輪進行泵性能試驗.圖7為額定轉(zhuǎn)速下，單葉片離心泵的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，可以看出：在運行流量內(nèi)，揚程和效率的數(shù)值計算值均高于試驗值，兩者隨流量的變化趨勢相同.除流量為28 m3/h工況下的揚程誤差10.5%偏大外，其余工況揚程的誤差為1.4%～6.6%；在全部工況下，效率的誤差為2.5%～7.8%.這表明文中所采用的數(shù)值計算方法是可靠的，數(shù)值計算精度滿足工程實際要求，可用于單葉片離心泵外特性流場的分析.

圖7 額定轉(zhuǎn)速下泵性能數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比

由圖7還可以看出，在小流量工況下，計算揚程曲線存在比試驗揚程曲線更明顯的駝峰現(xiàn)象，這可能是由葉片形狀引起的，相比圓柱形葉片，葉輪14的扭曲形葉片產(chǎn)生的駝峰現(xiàn)象更明顯[17]，同時由于葉輪加工精度導(dǎo)致試驗葉輪的葉片扭曲程度降低，從而減輕了試驗揚程曲線的駝峰現(xiàn)象.

3 計算結(jié)果分析

3.1 外特性分析

圖8所示為不同葉片進口邊位置時單葉片離心泵的外特性曲線.可以看出：當(dāng)葉片進口邊由12沿后蓋板延伸至13，揚程最大可增大1.61 m，且揚程增大的幅度隨流量的增大而增大；繼續(xù)延伸至14，揚程最大可增大0.74 m；當(dāng)葉片進口邊由12延伸至13，效率最大可提高5.23%，且最高效率點移至20 m3/h，但葉片進口邊由13繼續(xù)延伸至14后，效率最大可提高0.78%，其中某些工況效率沒有提高反而有所下降；當(dāng)葉片進口邊沿前蓋板由53依次延伸至13和63后，揚程依次最大可增大0.70 m和0.69 m，繼續(xù)延伸至73，在大流量工況下，揚程最大可增大0.35 m，在小流量工況下，揚程沒有增大反而有所減小.當(dāng)葉片進口邊沿前蓋板由53延伸至13時，泵效率最大可提高2.01%，當(dāng)延伸至63和73后，最高效率點向大流量移動，高效區(qū)明顯變窄.因此，葉片進口邊不論是沿后蓋板還是沿前蓋板向泵入口適當(dāng)延伸，均可提高葉片的做功能力和做功效率，但延伸過多容易造成流道堵塞，揚程增大量變小，某些工況下的揚程和效率不升反降.

圖8 不同葉片進口邊位置時單葉片離心泵外特性曲線

由圖8還可以看出：葉片進口邊13至63的延伸量小于葉片進口邊13至14的延伸量，對比2種情況下的揚程發(fā)現(xiàn)，在流量為12，16和24 m3/h工況下，葉輪63的揚程要大于葉輪14的揚程，最大相差3.1%，最小相差1.7%；在流量20，28 m3/h工況下，葉輪14的揚程大于葉輪63的揚程，分別相差0.9%和0.4%；除額定工況外，其余工況下葉輪63的效率均大于葉輪14的效率，兩者之間的效率最大相差2.6%，說明葉片進口邊沿前蓋板向泵入口延伸后對泵揚程、效率的影響較明顯；進口邊由12平行軸線延伸至73，泵揚程、額定和大流量工況下的效率顯著提高，因為延伸后，葉片面積增大，做功能力增強.

3.2 額定工況下葉輪中截面壓力和速度分析

圖9為額定工況下，葉片進口邊位置不同的葉輪在中截面的壓力分布，可以看出：6種葉輪的壓力分布規(guī)律大致相同，均呈圓周非對稱分布，壓力隨半徑增大而增大，葉片吸力面入口處存在低壓區(qū)；隨著進口邊沿后蓋板延伸量的增加，葉片吸力面入口處的最低壓力也增大，且高壓區(qū)域明顯增大；隨著進口邊沿前蓋板延伸量的增加，葉片吸力面入口處的最低壓力越來越大，但是葉輪73在葉片吸力面入口處的低壓區(qū)域卻顯著增大；葉輪53，13和63的中截面高壓區(qū)域相差不大，而葉輪73高壓區(qū)域明顯減??；由于葉片進口邊沿前蓋板和后蓋板向泵入口適當(dāng)延伸可以使流體提前受到葉片的作用，使流動更均勻，從而減小了水力損失；葉片進口邊向泵入口延伸，減小了進口邊上所在點的半徑，使得流體的流動速度減小，葉片吸力面入口處的壓力增大，從而避免了此處空化現(xiàn)象的發(fā)生；葉輪73入口處出現(xiàn)較大面積低壓區(qū)域的原因為進口邊延伸太大，增加了葉片對流體的排擠，能量損失增大，葉片吸力面壓力減小.對比葉輪14和葉輪63的壓力分布發(fā)現(xiàn)，與進口邊沿后蓋板延伸相比，進口邊沿前蓋板適當(dāng)延伸更加有利于提高葉片吸力面入口處的壓力，并且進口邊延伸量更少；對比葉輪14和葉輪53的壓力分布發(fā)現(xiàn)，進口邊同時沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸，可提高葉片吸力面入口處的壓力，增大高壓區(qū)域，增強葉輪做功能力；對比葉輪12和葉輪73的壓力分布發(fā)現(xiàn)，葉片進口邊延伸后，葉片吸力面入口處的壓力激增，同時葉片進口處的低速區(qū)面積顯著增大.

圖9 進口邊位置不同時中截面壓力分布圖

圖10為額定工況下葉片進口邊位置不同時葉輪中截面的相對速度分布，可以看出，6種葉輪的中截面相對速度分布規(guī)律大致相同，均呈圓周非對稱分布，相對速度隨半徑增大而增大，在葉輪出口達到最大.隨著進口邊沿后蓋板和前蓋板向泵入口延伸量的增加，入口處、葉片壓力面前端和吸力面附近的低速區(qū)逐漸增大，蝸殼內(nèi)的低速區(qū)減小.葉片進口邊向泵入口延伸后，由于葉片對流體提前作用，使其流動更均勻，流體的流動速度減小，使得入口處產(chǎn)生低速區(qū)；另外葉片對流體的約束增強，在葉輪內(nèi)產(chǎn)生較大的速度梯度，壓力面附近相對速度減小，壓力面前端出現(xiàn)低速區(qū).由此可知，入口處的回流現(xiàn)象、葉片壓力面前端的流動分離、脫流現(xiàn)象和葉片吸力面入口處出現(xiàn)的旋渦隨著葉片進口邊向泵入口延伸量的增加而更加明顯.對比葉輪12和葉輪73的速度分布發(fā)現(xiàn)，進口邊位置由12延伸至73，入口處、葉片壓力面前端和吸力面附近的低速區(qū)面積顯著增大，其原因是進口邊延伸過多，加劇了進口處葉片對流體的排擠，能量損失嚴重，相對速度降低.對比葉輪14和葉輪53的速度分布發(fā)現(xiàn)，葉輪53在葉片壓力面前端和入口處的低速區(qū)比葉輪14小，流體流動分離和回流現(xiàn)象減輕. 因此，葉片進口邊的位置顯著影響單葉片離心泵的外特性和內(nèi)流場的流動特性，葉片進口邊向泵入口的延伸應(yīng)適當(dāng)，不宜過多延伸.

圖10 葉片進口邊位置不同時葉輪中截面速度分布

4 結(jié) 論

1) 葉片進口邊沿前蓋板或后蓋板向泵入口適當(dāng)延伸，葉片對流體的控制能力增強，可提高泵的揚程和效率.葉片進口邊延伸過多，葉片入口流體堵塞，造成某些工況下的揚程和效率不升反降.

2) 葉片進口邊延伸后，葉片入口沖擊損失減小，大幅提高葉片吸力面進口處的壓力，降低此處發(fā)生空化的可能，但泵會出現(xiàn)低速區(qū).

3) 提高相同幅度的泵揚程或泵效率，所需的葉片進口邊沿前蓋板向泵入口延伸量要小于葉片進口邊沿后蓋板延伸量.