葉輪結構參數對軸流泵性能的影響

[摘要] 運用計算流體動力學CFD軟件CFX基于標準RNGk-ε紊流模型，對軸流泵裝置內部的三維流場及其運行特性進行數值分析。通過計算結果，探討了輪轂形狀、葉片安放角度等結構參數對軸流泵性能的影響，并通過試驗驗證了計算的結果。該結論對軸流泵設計人員有一定的參考價值。

[關鍵詞] 葉輪結構參數 軸流泵性能 影響

1 數學模型與邊界條件

1.1計算模型和網格剖分

計算模型中進出水流道采用CFX的幾何造型模塊ICEM進行三維幾何建模和網格剖分，葉輪和導葉則是用Turbo-grid進行建模和劃分網格，最后再把所有模型導入CFX中進行總裝如圖1。

本次計算所采用的模型泵，其主要參數包括:葉輪直徑為300mm，葉輪轉速為1450r/min，葉輪葉片數為4片，導葉數為7片。

由于軸流泵裝置的結構比較復雜，生成網格時，葉輪和導葉部分網格采用結構化的網格，并且進行了加密，而對于進出水流道的網格則適當的降低。

1.2基本控制方程及湍流模型

采用三維雷諾時均N-S方程來描述貫流泵內不可壓縮流體的湍流流動。湍流模型采用RNGk-ε紊流模型，因其適用于計算曲率較大、旋轉流動、分離流動等較復雜的流動。

RNGk-ε紊流模型的k、ε方程為:

1.3邊界條件

采用質量進口，給定進口邊界上的流量。壓力出口，設定出口的壓力。在固體壁面處規定無滑移條件。

2 計算結果及分析

為便于研究各參數對該泵性能的影響，在改變一個葉輪結構參數時，其它參數均保持不變。

2.1葉輪輪轂形狀變化對軸流泵性能的影響

本文計算了在相同輪轂比時輪轂形狀分別為圓形(h17t7archub)和圓柱形(h17t7hub)時，流量在299L/s~388L/s的多個不同流量工況下的裝置運行特征，得到其性能曲線見圖2、圖3。

由圖2、圖3可以看到，在相同的輪轂比的情況下，當球形輪轂變為圓柱形輪轂時，葉輪內部過流面積減小，相對于球形輪轂來說圓柱形輪轂的葉輪排擠系數變大，計算結果顯示，在相同的流量下其揚程和軸功率減小，效率也有所減小，并且最大效率點向小流量偏移。

2.2 葉片安裝角對軸流泵性能的影響

本文計算了軸流泵在葉片安裝角分別為-4°，0°，+°時，流量在299L/s~388L/s的多個不同流量工況下的裝置運行特征，得到其性能曲線見圖4、圖5。

由上圖可知，葉片安放角越大水流沖角變大，揚程逐步增加。計算得到的性能曲線，符合軸流泵性能曲線的一般規律，說明該數值模是可信的。

3 結論

通過對軸流泵裝置內部三維流場的數值模擬，得出以下結論:

(1)在輪轂比相同的情況下，計算了當葉輪輪轂由球面變化為圓柱面時，泵段外特性的變化。得出其在相同的流量下軸流泵揚程和軸功率減小，效率也有所減小，并且最高效率向小流量偏移。

(2)葉片安放角變大，相當于水流沖角變大，在相同的流量下裝置的揚程和軸功率增大。