B樣條曲線設計葉片流線的離心泵模型性能分析

劉衛(wèi)紅，聶松輝

1湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術學院；2湘潭大學

B樣條曲線設計葉片流線的離心泵模型性能分析

劉衛(wèi)紅1，聶松輝2

1湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術學院；2湘潭大學

合理地繪制葉片流線對離心泵葉輪及其泵本身的性能有著很大的影響，本文以型號IS50-32-125單吸單級離心泵為例，利用B樣條曲線控制流線進行繪型并對新模型和原模型進行對比分析。結果表明：該方法所獲得的離心泵汽蝕余量減小，抗汽蝕性能增強，內(nèi)部液體壓力速度分布均勻，流動平穩(wěn)，整體性能提高。為以后離心泵設計提供了重要的方法和參考。

離心泵；葉片；樣條曲線；展開流線

1　引言

葉輪的繪型是離心泵進行繪型工作時的重要環(huán)節(jié)，而保證葉輪葉片形狀準確的前提條件是精確地繪制葉片流線［1-2］。葉片流線繪制方法主要有：包角變換法［3-4］、采用三次多項式繪制［5-7］、采用樣條曲線插值繪制［7］等，但上述繪制方法中存在曲線柔性小，無法保證曲線單調(diào)光滑，不易調(diào)整，控制繁瑣等弊端。若用B樣條曲線能達到設計要求、獲取單調(diào)光滑的曲線，并且控制方便，操作簡單。

B樣條曲線是通過改變形狀參數(shù)的取值，調(diào)整曲線接近控制多邊形的程度，從而得到不同位置的連續(xù)曲線［8］。結合B樣條曲線性能，使用三次B樣條曲線繪制離心泵葉片展開流線，利用特征多邊形實現(xiàn)控制。能夠穩(wěn)定離心泵葉輪進出口處的流動、減弱二次回流強度，并能通過合理調(diào)整可控制展開流線的形狀。

本文對利用B樣條曲線控制流線進行繪型所獲離心泵新模型和原模型進行對比分析。

圖1　原模型靜壓力圖

圖2　B樣條曲線法模型靜壓力圖

圖3　原模型速度矢量圖

圖4　B樣條曲線法模型速度矢量圖

2　實例對比分析

以型號IS50-32-125單吸單級離心泵為例，其設計流量Q= 12.5m3/h。利用B樣條曲線控制流線進行繪型，并對新模型和原模型進行CFD數(shù)值模擬，得到圖1、圖2、圖3和圖4。

從圖1與圖2可看出：

（1）在葉輪內(nèi)沿半徑方向靜壓力逐漸增大，離心泵的機械能逐漸轉化為液體壓力能。這一轉化中，一部分是因為離心力所增加的壓力能，另一部分是因為流道過流截面變大引起流體相對速度降低而轉換的能量。葉輪進口處壓力小，流動速度較均勻，從葉輪進口至出口，壓力逐步變大，直到葉輪出口處壓力達到最大，葉輪內(nèi)部流體的流動情況各不相同，不具對稱性，但是葉輪內(nèi)流體流動和理論分析一致相。

（2）蝸殼的半徑增大靜壓隨之增大，在蝸殼出口處的蝸舌附近靜壓力分布情況不均勻，隔舌處的沖擊比較大，該處能量損失也將會較大。葉輪進口處靠近葉片的吸力面位置出現(xiàn)最小靜壓力值，該處容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，和理論計算出來的氣蝕點吻合。

（3）與原模型相比，利用B樣條曲線法設計的離心泵新模型在靜壓力最小點的負壓力值更小，因此新模型比原模型的汽蝕余量大。另外與原模型相比，利用B樣條曲線法設計的離心泵靜壓力變化更均勻，且原模型出口處的壓力變化較大，其最大值明顯比利用B樣條曲線法設計出的離心泵模型大。

從圖3與圖4可看出：

（1）流體的流速從葉輪進口至葉輪出口逐漸增大，直到葉輪的出口處將達到最大值，這是離心泵的葉輪轉動所引起的，是機械能變?yōu)閯幽艿倪^程；流體流速從葉輪出口至蝸殼出口逐漸減小，流體勢能逐漸增大，這是動能變?yōu)榱黧w勢能的過程。

（2）圖3中的速度分布不均勻，葉輪流道中速度變化較大，尤其是在出口處的相對速度變化更大；而圖4中速度分布比較均勻，葉輪流道中看不出明顯的二次回流現(xiàn)象，離心泵水力損失小。

綜上所述可知，采用B樣條曲線法設計的離心泵新模型，不但克服了傳統(tǒng)方法的不足，使操作更簡單，能獲得單調(diào)光滑的葉輪流線，而且容易控制，獲得更好流動性能的離心泵。

3　結論

用實例對采用B樣條曲線控制流線進行繪型所得到的離心泵新模型進行了數(shù)值模擬分析與對比，結果表明該方法所獲得的離心泵比原模型的汽蝕余量更小，內(nèi)部流動更均勻，提高了泵的整體性能。

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劉衛(wèi)紅（1975-），女，講師，研究方向：機電工程。