可抽芯低比轉速斜流泵空間導葉優化設計

夏仲林 余學軍 劉洪福

摘 ?要：對不可抽芯式低比轉速斜流泵，在不改變原泵葉輪流道基礎上，設計新型空間導葉體，減小可抽芯泵的筒體直徑，降低泵的成本。本研究采用CFD技術數值模擬泵的全流場流動特性，進而優化空間導葉體設計。研究優化后的結果表明，新設計的可抽芯低比轉速斜流泵不僅具有筒體直徑小，而且還具有較好的水力性能，其水力效率高于原泵。本優化設計方法為開發新的可抽芯式低比轉速斜流泵具有重要的指導作用。

關鍵詞：斜流泵;空間導葉;優化設計

中圖分類號：TH311 ? ? ?文獻標志碼：A

前言

斜流泵，根據水力性能的劃分又稱為導葉式混流泵，具有流量大、揚程適中、效率高、高效區范圍寬及不抽真空起機等特點[1]，被廣泛應用于冶金、市政、礦山和環保等行業。國內外研究斜流泵的人很多，馬桂超、李寶良[2，3]對斜流泵內部流場進行了研究，吳波、邴浩、張勤昭、李新華[4-7]對斜流泵的導葉設計和數值模型進行了研究，楊從新、張德勝[8-9]對斜流泵的葉輪和導葉數量對水泵性能的影響進行了研究，裴迎舉[10]對復合結構的斜流泵導葉進行了研究。但是，目前尚未發現有人對不抽出導葉體的可抽芯斜流泵進行研究，目前的抽芯式斜流泵抽芯時仍需要將轉子和導葉體一起抽出，對于低比轉速斜流泵，由于導葉體外圓很大，相對泵的葉輪外徑要大很多，而抽芯時需要抽出導葉體，因此水泵筒體需要制作得很大，很不經濟。為了解決上述問題，本研究設計了一種新型的空間導葉體，導葉體和外筒體固定在一起，其導葉片任何一個處于葉輪最大外徑之外，抽芯時可不必抽出導葉體。

1 新型空間導葉體的結構型式

這里所研究的可抽芯低比轉速斜流泵的導葉體將常規的導葉體結構分為導葉體的導流錐兩部分，外部的導葉體直接和筒體連接，抽芯維護時不需要抽出該部分，內部的導流錐在抽芯時和轉子一并抽出，安裝時，導流錐隨轉子一起放下后會和導葉體接觸并由卡槽卡住，故運行時，導流錐和和導葉體一起固定不動，如圖1所示。

2 新型空間導葉體的優化設計

選取一種已有的傳統斜流泵模型進行對比，在保持原泵進水喇叭口、葉輪室、葉輪不變的基礎上，設計一個新型的導葉體。本研究選擇的原泵的參數為Q=1080m3/h，H=58m，n=1480r/min，ns=141，葉輪最大外徑480mm，導葉體進口處最小直徑485mm，出口最小直徑僅125mm，遠小于葉輪外徑，因而導葉體不可抽，導葉體內壁光滑過渡至導向軸套保護管并和軸套保護管連接。新泵設計參數不變，葉輪也保持不變，空間導葉體設計時，導葉體進口處尺寸不變，其最小直徑仍為485mm，控制導葉從進口到出口各橫斷面的最小徑向尺寸均大于葉輪最大半徑，即保證結構上葉輪可從導葉體中抽出，保持軸面圖從進口到出口的面積變化趨勢同原泵一致，原導葉進出口角度也保持不變，導葉體外壁出口法蘭與外筒體法蘭連接，導葉體內壁最小直徑設計為505mm，設計一個可抽的導流錐，將導葉體出口的液流光滑地導向軸套保護管并和軸套保護管連接，安裝時導流錐放下落于導葉體出口內壁上，維護時導流錐隨泵軸向葉輪一起抽出。

3 斜流泵內部流動特性的數值計算方法

全流場內部流動采用三維不可壓縮N-S方程描述，選用標準k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解方程。利用有限體積法對控制方程進行離散，壓力項采用標準格式，動量、湍動能和耗散率項采用二階迎風格式，壁面采用無滑移邊界條件，近壁區域采用標準壁面函數處理，進出口邊界條件分別采用速度進口和自由出流條件。

標準k-ε湍流模型：

式中：t為時間;V為流體速度;ρ為流體密度;P為壓強;ν為流體運動黏性系數;g為重力加速度;k為湍動能;ε為耗損率; ; ;各常數值Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3;xi為坐標分量;i、j為張量坐標。

4 新型空間導葉體斜流泵內部流動特性的數值計算結果

4.1 計算幾何模型的建立

通過 Solidworks軟件對新設計的導葉體、原葉輪及進水喇叭三部分的水體進行三維造型，如圖2所示。

三維造型后采用Gambit軟件進行網格劃分，如圖3所示，并進行了網格無關性驗證，最終采用的網格數見表1。

4.2 數值計算結果分析

（1）兩種導葉體結構下設計點導葉的靜壓分布

對額定工況和0.8倍及1.2倍額定工況點進行了數值計算，額定工況時，新舊兩種導葉片的靜壓力分布對比如圖4所示，從圖可以看出，兩種型式的導葉進口壓力梯度均較大，出口趨于均勻，新設計的導葉出口靜壓力相比原泵導葉更加均勻，但壓力略低。

（2）兩種導葉體結構下設計點導葉的速度分布

額定工況時，新舊兩種導葉體的速度矢量分布對比如圖5所示，從圖可以看出，兩種型式的導葉進口速度較大，且不均勻，出口逐步趨于均勻，新設計的導葉體無論是導葉的進口還是出口，其速度矢量相比原泵者更加均勻。

（3）兩種導葉體結構下的泵外特性曲線

無論是0.8倍、1.0倍還是及1.2倍額定工況，采用新導葉體的泵揚程均比原泵略低，而效率均高于原泵，額定工況點效率高得不多，但大、小流量點效率均比原泵有較大幅度提升。

5 結論

本研究對兩種型式導葉體下的整泵全流場在三種不同工況下的內部流動進行了數值計算。有下列結果：

（1）在額定流量時，無論是靜壓力梯度還是速度矢量，新導葉體時泵內部流動相比原導葉體泵更加均勻。

（2）采用新導葉體時，泵的流量揚程曲線略有下降，但效率更高，高效區更寬。

通過分析比較，進而得出該新導葉體的設計是成功的，可以作為低比轉速斜流泵可抽芯設計的一種新的結構方式，該方式可以減小可抽芯泵的筒體直徑，降低泵的成本。

參考文獻

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基金項目：湖南省教育廳科學研究項目“可抽芯低比轉速斜流泵的研究”（項目編號：17C0581）