半螺旋吸入室隔舌形狀對葉輪吸入性能的影響

張　濤，吳應德，馬柏青，楊德旭

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學泵工程技術中心，甘肅　蘭州　730030；2.甘肅省流體機械（泵）節能工程實驗室，甘肅　蘭州　730030）

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半螺旋吸入室隔舌形狀對葉輪吸入性能的影響

張濤1，2，吳應德1，2，馬柏青1，2，楊德旭1，2

（1.蘭州水泵總廠蘭州理工大學泵工程技術中心，甘肅蘭州730030；2.甘肅省流體機械（泵）節能工程實驗室，甘肅蘭州730030）

摘要：為了研究半螺旋吸入室隔舌對葉輪進口介質流動的影響，基于計算流體動力學（CFD）技術，Reynolds時均化，湍流模型采用RNGk-ε模型，速度、壓力耦合用SIMPLEC算法，對三種隔舌方案進行全流場數值模擬，得到葉輪進口處的速度場，并對其進行分析。將其中流動狀態最好的一種方案進行真機性能試驗，并與CFD計算結果進行對比驗證。數值計算結果表明：半螺旋吸入室隔舌與葉輪進口邊的距離影響葉輪的吸入性能；當該距離較遠時葉輪進口處速度分布均勻，進口流動預旋較大，泵的揚程較低；當該距離較近時隔舌部位產生明顯的漩渦，介質圓周速度周向分布波動大，預旋不明顯，揚程相對較高；通過數值計算結果，為吸入室設計提供參考。

關鍵詞：離心泵；半螺旋吸入室；隔舌

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.01.007

0　引言

離心泵吸入室主要分為半螺旋吸入室、直錐型吸入室以及環形吸入室，其中半螺旋吸入室的設計較另外兩種復雜。國內外學者對半螺旋吸入室的設計做了大量的研究，穆界天[1]提出了通過設計兩個旋轉面和一個柱面的方法來光順吸入室流道的半螺旋吸入室設計方法；文獻[2]提出半螺旋吸入室截面高度系數以及斷面與葉輪吸入眼的面積比范圍；高章發[3]等通過統計29種優秀的水力模型從而提出了半螺旋吸入室關鍵截面的計算系數；劉厚林[4]等提出利用CAD技術通過開發軟件而設計半螺旋吸入室的方法。除了這些設計方法還有通過CFD優化技術對已設計好的吸入室進行數值仿真計算優化的方法。但是，以上這些設計方法中都未討論半螺旋吸入室中隔舌形狀的設計方法，國內外關于半螺旋吸入室隔舌形狀的研究也相對較少。

為了研究半螺旋吸入室隔舌形狀對葉輪吸入性能的影響，從而降低離心泵汽蝕余量以及提高泵的效率，筆者將通過一個具體的設計實例及CFD技術進行研究并通過試驗驗證。

1　模型的建立

1.1設計參數及方案

以一個參數為Q=3 200 m3/h、H=39 m、n=1 492 r/min的單級雙吸離心泵為研究對象，分別設計以下三種吸入室隔舌，由于隔舌形狀的不同，所以分別修正吸入室輪廓，以保證三種方案相對應的過流面積完全相等。這三種隔舌形式為半螺旋吸入室中最常見的三種方案，如圖1。隔舌分別與葉輪進口邊的距離不同，方案1最遠，方案3最近。

圖1　三種隔舌方案

圖2　三種隔舌方案三維模型

1.2計算域模型建立

圖2為三種不同隔舌方案的三維模型，為了全面地反映隔舌的影響，對該泵進行全流場CFD計算，三個隔舌設計方案與同一個葉輪及壓出室相配合計算，如圖3所示。

2　網格劃分及數值計算

2.1網格劃分

對吸入室、葉輪、壓出室進行網格劃分，采用WORKBENCHD劃分適應性較好的非結構網格，并進行網格無關性檢查，最終得到的網格數如表1所示，為了更好地反映半螺旋吸入室隔舌部位的流動細節，對該部位網格進行加密。

表1　過流部件網格數

2.2數值計算

計算采用RNG k-ε湍流模型，速度壓力耦合方式采用SIMPLEC算法，速度進口、自然出流、吸入室與葉輪及葉輪與壓出室的耦合面采用interior進行耦合。

3　計算結果及分析

3.1葉輪進口處的流場

為了掌握吸入室流動對葉輪流場的影響，主要討論吸入室出口也就是葉輪進口處的流場分布。

3.1.1壓力分布

圖4為設計工況下葉輪進口截面的壓力云圖。有圖可以看出方案1和方案3壓力分布不均勻，梯度明顯，在同一半徑處呈現周期變化，但是壓力數值差值不大。而方案2則壓力分布較均勻，梯度不是很明顯。

圖4　.不同方案葉輪進口截面處的壓力分布

3.1.2速度分布

為了更清楚地分析葉輪的進口處的速度場，將介質在此處的空間速度分解為垂直于葉輪進口的軸面速度與在該平面繞軸心的圓周速度。圖5、圖6分別為圓周速度與軸面速度的矢量圖，從圖5中可以明顯直觀看到方案1葉輪進口處的介質四分之三區域圓周速度明顯且速度梯度不大，與理論相吻合。由于隔舌與葉輪進口邊之間的環形流道空間較其他兩種方案軸向尺寸長，所以圓周速度較其他兩種方案大且均勻。從方案1到方案3，隨著隔舌與葉輪進口邊的空間不斷減小，隔舌對葉輪進口處介質流動的影響也在逐漸加強，由圖5中可以看出方案2中隔舌部位形成了局部漩渦，方案3存在明顯圓周速度的介質只占到該區域的二分之一，且速度梯度變化較其他兩種方案劇烈。所以說方案1葉輪進口處的流體介質預旋明顯，方案3預旋較輕，而方案2則相對適中。由圖6可以看出軸面速度的分布方案2較其他兩種方案均勻，而方案1與方案3則軸面速度分布不均勻，使得葉輪內葉片間吸入的流量不均勻，葉片所受到的負荷就不均勻，進而有可能誘發泵的振動等問題的出現。

圖5　不同方案葉輪進口截面處的圓周速度分布

圖6　不同方案葉輪進口截面處的軸面速度分布

3.2性能預測

對三種方案流量0.8Q至1.2Q進行性能計算，得到泵的揚程、效率隨流量變化的圖如圖7及表2。由圖表看出，在設計點，方案3的揚程最高，而方案1的揚程最低，這與上文中關于速度場的分析相吻合。由于葉輪進口處的預旋強度的不同，使得兩種方案的揚程相差了1.1 m，而在泵的小流量工況下即0.8Q，揚程差更大，達到了1.7 m。由圖還可看出在設計點，方案2的效率最高，高于方案3約1.4%，在泵的大流量1.2Q時，效率差更大，比方案1高2%。

表2　三總方案的設計點計算值

綜上，雖然三種方案之間的揚程以及效率的差別不大，但是半螺旋吸入室常應用于雙吸泵，而在大型雙吸泵中，流量可以達到30 000 m3/h，功率可達6 000 kW，泵能提高的效率是相當可觀的，對節能減排具有重要的意義。

4　試驗驗證

通過數值計算分析，選取效率最高的方案2進行樣機制作，并真機性能試驗，試驗現場見圖8，試驗的結果曲線如圖7。從試驗結果看，設計點揚程的數值計算誤差為2.6%，效率誤差為1.2%，以上誤差均在較小的范圍內，說明CFD技術對半螺旋吸入室隔舌對流動影響的計算可以作為產品設計時的重要參考。

圖7　三種方案計算曲線以及真機試驗曲線

圖8　真機試驗現場

5　結論

通過對半螺旋吸入室三種隔舌方案的CFD數值計算分析以及真機試驗驗證，可以得到以下幾點結論：

（1）半螺旋吸入室隔舌的形狀可以影響泵葉輪進口處的流場分布進而影響葉輪的吸入性能以及泵的外特性。隔舌與葉輪進口距離的遠近是影響葉輪進口處流場的重要因素之一，當該距離較遠時葉輪進口處速度分布均勻，進口流動預旋較大，泵的揚程較低；當該距離較近時隔舌部位產生明顯的漩渦，介質圓周速度周向分布波動大，預旋不明顯，揚程相對較高。

（2）CFD數值計算技術是研究半螺旋吸入室內流體介質流動規律的重要手段之一，計算結果可行度高，并且指導半螺旋吸入室隔舌的形狀設計。

參考文獻：

［1］穆界天.雙吸泵吸水室的畫法［J］.甘肅工業大學學報，1987 （02）.

［2］李文廣.工業用離心泵設計與應用［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［3］高章發，龐偉.半螺旋形吸入室的設計和計算［J］.排灌機械工程學報，2001，19（5）.

［4］劉厚林，王凱，談明高，等.半螺旋形吸水室水力設計CAD軟件開發［J］.排灌機械工程學報，2008，26（2）.

［5］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

作者簡介：張濤（1965-），男，漢族，甘肅張掖人，研究生，工程師，主要研究方向：水力機械及優化設計。

收稿日期：2015-1-4

中圖分類號：TH311

文獻標識碼：A