高低葉片對旋流泵性能影響的研究

王秀禮 朱榮生 俞志君 蘇保穩

1.江蘇大學，鎮江，212013 2.江蘇振華泵業制造有限公司，泰州，225500

0 引言

旋流泵在其被開發出來后的較長一段時間內并未引起人們的廣泛關注，隨著工農業的迅猛發展，出現了大量需要輸送固液兩相流的場合，旋流泵因其在輸送帶有較大顆粒和較長纖維流體時所表現出的過流能力與運行穩定性而日益受到人們的重視。旋流泵的主要結構特征是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內，這使其在輸送含有固態顆粒的介質時，水流進入旋流泵葉輪之前在環形蝸殼中已將大部分顆粒從主流中分離出去，因而葉輪磨損小、使用壽命長。但由于存在循環流，存在很大的水力損失，因而旋流泵的效率較低，絕大多數泵效率低于60%，造成很大的能源浪費[1－2]。

近年來，國內外學者對旋流泵進行了大量研究。文獻[3-5]通過數值計算的方法模擬了旋流泵內部流場，文獻[6-8]通過試驗研究了結構參數對旋流泵性能的影響。雖然上述研究工作得出了一些寶貴的結論，但由于旋流泵的內部流動十分復雜，對其工作原理及能量轉換規律尚未完全研究清楚，且這些工作主要集中在對直葉片旋流泵進行研究。從國內外現有文獻看，對具有彎曲葉片的旋流泵進行研究的文獻還未見報道，因此，有必要對具有彎曲形葉片的旋流泵進行研究。

1 問題的提出

目前，常規的旋流泵葉輪呈放射形狀，采用這種葉輪的旋流泵功率曲線隨流量的增大而無限上升，因此，這種葉輪只能保證旋流泵在很窄的流量范圍內運行，如果運行工況超出泵的可運行范圍，可能導致電動機燒毀。旋流泵的運行工況千差萬別，泵的揚程會出現較大的變化，導致旋流泵實際工況點在較大流量范圍內移動。據統計，在返修的工程潛水泵中，其故障約有70%是由過載引起的。電機因過載失效造成這類泵的可靠性較低，大大限制了旋流泵的使用范圍。這就要求我們設計的旋流泵具有平緩的功率曲線，能在大的流量范圍內運行而不出現過載。

以往解決此問題的主要途徑是加大功率備用系數，在旋流泵設計點的軸功率上乘以一個不小于1.4的系數作為選配電機的依據，這一系數顯然大于離心泵的對應值1.1～1.2，造成投資增加和能源浪費。

為了改善這種情況，選用彎曲的葉片。但如果葉片數太多，污物不易通過，易造成堵塞；若葉片太少效率又不高。本文正是在葉片數比較少的情況下，研究高低葉片對旋流泵性能的影響。

2 計算模型

2.1 潛水旋流泵基本參數

本文通過研究WQX50－9－2.2型潛水旋流泵（圖1）來探討高低葉片對旋流泵性能的影響。該潛水旋流泵基本參數為：流量Q＝50m3／h，揚程H＝9m，轉速n＝1470r／min，葉輪直徑D2＝210mm，葉片寬度b＝40mm；環形蝸室內部寬度為80mm，進口直徑d1＝80mm，工作介質為水。葉輪共6個葉片，有三種型式：①葉片等高（葉輪1）；②2個對稱分布的葉片比其余4個葉片高10%（葉輪2）；③3個葉片均勻分布比其余3個葉片高10%。葉輪螺母位置為中心點，出口方向為X方向，進口方向為Y方向，Z為垂直于X和Y的方向。

圖1 潛水旋流泵結構示意圖

2.2 數值模擬設置

數值計算中采用了三維定常雷諾時均Navier－Stokes方程和RNGk－ε方程相結合的數學模型；泵進口采用速度進口條件；采用動靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運動問題，葉輪流道區域采取旋轉坐標系，轉速為1470r／min，蝸殼流道區域采取靜止坐標系[9]；采用SIMPLEC算法和二階迎風格式離散差分方程進行計算。

2.3 計算區域與網格劃分

采用Pro／E軟件進行三維造型，用Gambit軟件劃分網格，由于模型復雜，將其劃分為混合網格，計算模型共約100萬個網格單元，計算域網格如圖2所示。

圖2 計算域網格

2.4 基本假設與邊界條件

假定進口速度軸向均勻分布且與進口面垂直；湍流強度設為5%，水力直徑為80mm；出口邊界設為自然出流；在固壁處采用無滑移邊界條件，近壁面采用標準壁函數。

3 模擬計算結果與分析

采用Fluent軟件計算完成后，運用Tecplot軟件對結果進行必要的后處理，獲得的計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 軸面流線圖（Z＝0）

圖4 軸面總壓圖（Z＝0）（Pa）

圖5 總壓分布圖（Y＝0）（Pa）

由圖3可以看出，葉輪流道中存在非常明顯的回流和漩渦，原因在于，葉輪出口不是按照壓水室的中心對稱分布的[4]，它大約有50%的區域位于壓水室的斜面區域，因此該區域的水流先接觸到泵殼壁面而發生碰撞，從而產生回流，然后該回流又與剩余水體再次發生碰撞，從而使回流區域擴大。

由圖3可發現，上下半平面內葉輪出口位置存在明顯的漩渦。在上半平面：葉輪2的漩渦作用范圍最小，葉輪1的漩渦作用范圍最大，說明流動情況相當復雜；葉輪2在葉片附近基本上沒有漩渦，但葉輪1和葉輪3在葉片附近有比較明顯的漩渦。在下半平面：葉輪2葉片間出現漩渦，而葉輪1和葉輪3葉片間沒有漩渦產生。旋流泵的水力損失主要是由于旋流泵內部流動存在大量的回流與漩渦，從而導致能量耗散，降低了旋流泵的效率。

由圖4可以看出，對于不同的葉輪，旋流泵在同一半徑處沿周向的壓力分布不盡相同，在相應位置，葉輪2的壓力最大，葉輪3的壓力最小；葉輪2低壓區范圍最小，葉輪3低壓區范圍最大；由于距離出口較近，上半平面相應位置處的壓力大于下半平面相應位置處的壓力。

由圖5可以看出，以葉輪中心點為圓心，向外擴散成一個圓，在半徑較小的范圍內壓力近似一個常數，這主要是因為旋流泵有較寬的無葉腔，進出口存在壓差，從而產生回流；由于流動類似于自由渦以及流體與蝸殼的耦合作用，在半徑超過葉輪半徑之外的區域和蝸殼喉部區域的靜壓分布不規則。在腔體的同一位置，葉輪2的總壓最大，葉輪3的總壓最小。在擴散段出口處，葉輪2的壓力最大，葉輪3的壓力最小，這表明，在相同流量下，葉輪2產生的揚程最大。

在數值計算的基礎上，結合流場分析，對潛水旋流泵內部流動狀況進行了深入研究，結果表明：葉輪2的水力性能最好，不僅流線分布好，同時在相同位置產生的總壓也高。

4 試驗研究

根據數值模擬結果，制作了3個與模擬所用一致的葉輪進行試驗。潛水旋流泵性能試驗是在具有B級精度的江蘇國泉泵業制造有限公司水泵開式實驗臺上進行的，按照《潛水電泵實驗方法》進行試驗，試驗現場如圖6所示，試驗從關死點開始一直測到額定流量的160%左右，相關測試數據由計算機自動采集。葉輪如圖7所示。

圖6 試驗現場

試驗結果見圖8：隨著葉片高度差的增大，軸功率曲線幾乎平行下移，且高度差越大，曲線下降幅度也越大。但揚程與效率曲線存在一個最佳高度差值，當高度差超過最佳范圍后，泵揚程和效率開始下降。

圖7 葉輪2

圖8 高低葉片對性能的影響

在設計流量點，葉輪2的揚程與效率最高，比葉輪1的揚程高0.15m，效率高近3%。葉輪3的揚程和軸功率都比葉輪1低，但其效率比葉輪1高。三種葉輪的軸功率曲線最后趨于平緩，基本達到無過載狀態。

具有高低葉片的葉輪改善了壓水室流動情況從而減小了水力損失，提高了渦流泵的揚程和效率。對于潛水旋流泵，葉片高度差為10%左右時，水力性能比較好。

通過以上分析可知，模擬結果與試驗情況基本一致，不僅驗證了前人流動模型的正確性，也為后續的研究工作創造了一定條件，同時，可將數值模擬結果用于指導生產實踐，有益于節省成本與縮短研發周期。

5 結論

（1）高低葉片能夠改善旋流泵壓水室流動情況，從而提高旋流泵的揚程和效率。

（2）2個對稱分布的葉片比其余4個葉片高10%的葉輪水力性能較好，而等高葉片的葉輪的水力性能較差。

（3）旋流泵采用彎曲葉片能夠達到無過載的狀態。

[1]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

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