軸流泵導葉參數與葉輪匹配的優化設計研究

陳會城

（1.上海凱泉泵業（集團）有限公司,上海 201804；2.深圳市水利土木建筑工程有限公司,廣東 深圳 518040）

1 引言

近年來,隨著湖泊濕地生態保護治理的發展,雙向軸流泵的應用越來越多,而針對雙向軸流泵的力學特性和參數優化研究也是相關領域研究的重點。

為研究雙向軸流泵的導葉設計參數對軸流泵雙向運行性能的影響,本文基于有限元軟件中的k-ε湍流模型,對雙軸流泵進行了仿真模擬。對比不同導葉出口安放角工況下軸流泵雙向運行時的外特性、水力損失和壓力脈動的差異。

2 數值模型

2.1 幾何參數

表1 展示了雙向軸流泵的主要設計參數。在設計中,Q反取0.5Q正。根據表1 參數,通過有限元數值軟件建立雙向軸流泵葉輪和導葉的模型,并完成水力設計,并建立進、出水管道模型。為保證安全穩定運行,消除軸流泵裝置噪音、振動等不利因素的影響,需滿足葉輪葉片與導葉葉片數應互質要求。為了保證液體從水管流出時良好的出流條件和水力性能,模型在建立時,對進、出口段的管道尺寸進行了延長,即L進=5.12D2,L出=4.77D2。

表1 雙向軸流泵主要設計參數

2.2 網格劃分

網格劃分方面,為了在保證計算精度的前提下兼顧計算效率,在劃分網格時對葉輪和導葉進出口區域進行了局部網格加密處理。此外,進行了網格無關性驗證,圖1 展示了驗證結果。從圖1 中可以看出,網格數大于450 萬之后,其效率變化呈現穩定趨勢。因此,本模型最終劃分出計算域總網格數量482 萬,包括進水管道30 萬,出水管道45 萬,導葉部分224 萬,葉輪部分183 萬。

圖1 網格無關性檢驗

2.3 計算方法與邊界條件

通過有限元分析軟件,利用k-ε湍流模型進行定常和非定常的模擬。邊界條件方面,進口邊界設為總壓進口,出口邊界設為質量流出口,固體壁面設為無滑移邊界條件。單元、節點、模塊之間設置接觸模型。總計算步數為3000 步,殘差精度小于10-5。

非定常模擬計算方面,其初始值為定常計算結果,總時間步長設為葉輪旋轉的5 個周期,每旋轉3°設為一個時間步長。在本研究中,模型轉速設為1200 r/min,因此計算總部長為0.252 s,單個時間步長為4.2×10-4s。

2.4 監測點設置

為對雙向軸流泵內流體情況更好地了解,設有3 個監測點于泵內同一徑向斷面上。監測點布置情況示意圖見圖2。其中,P1監測點設在葉輪進口斷面處,P2監測點設在導葉進口和葉輪出口斷面處,P3監測點設在導葉出口斷面處。

圖2 監測點位置示意圖

3 結果分析與討論

3.1 外特性

圖3 展示了不同導葉出口角工況下正向運行時的外特性曲線。從圖中可以看出,各工況下揚程隨著流量大小先增加后減小。在流量較小時,β=90°時揚程最高,出口角越小,揚程越大,揚程峰值為5.12 m；隨著流量的增加,各工況下揚程大小關系逐漸發生逆轉,在流量超過1.0Qd后,出口角β越大,揚程越小,出口角β與揚程呈現負相關關系。就軸流泵效率而言,整體上出口角β與流泵效率呈現負相關,β=70°時,效率達到最大,為72.6%。各工況相比,效率最大差值為1.2%,揚程最大差值為0.08 m。可以發現,雙向軸流泵在正向運行時性能受導葉出口的安放角影響較為明顯。流量較大時,可以選擇增大導葉出口安放角來提高泵的揚程和效率。最佳流量為0.9Qd,這表明,在軸流泵正向運行時高效區偏向于小流量工況。

圖3 正向運行時外特性曲線

圖4 反向運行時外特性曲線

圖3 展示了導葉不同出口角工況下反向運行時的外特性曲線。從圖中可以看出,隨著流量的增加,各工況下雙向軸流泵揚程大小呈現單調下降的趨勢,流量越大,揚程越小,流量與揚程呈現負相關趨勢。同一流量時,各工況下揚程大小關系未呈現出較為明顯的趨勢,大致呈現出導葉出口安放角越大揚程越高的規律,相較于正向運行時其差異較小。就軸流泵工作效率而言,導葉出口安放角β=90°時,其軸流泵工作效率最高,達到了50.8%。各工況相比,效率最大差值為1.2%,揚程最大差值為0.5 m。與正向運行相比,同一流量下,反向運行揚程更高,但在流量較小時運營效率不如正向運行。反向運行時最佳流量為1.2Qd。

綜上所述,考慮到軸流泵為雙向軸流泵,可以雙向運行,因此建議導葉出口安放角取80°較為合理。

3.2 水力損失

圖5 展示了軸流泵正向運行時不同導葉出口安放角工況下的水力損失曲線。從圖中可以看出,各導葉出口安放角工況下,水力損失隨著流量的增加呈現出先減小后增加的趨勢,最小值出現在0.9Qd附近,不同流量下水力損失差異較大。各工況相比,在小流量工況下,基本呈現出了隨著導葉出口安放角增加水力損失增大的一般性規律,導葉出口安放角與水力損失呈現正相關關系。而在大流量工況下則恰恰相反,增加導葉出口安放角水力損失反而降低,兩者呈現負相關關系。故而,在正常設計工況下,正向運行時對導葉出口安放角適當減小可以減少部分水力損失。

圖5 正向運行時水力損失曲線

圖6 展示了軸流泵反向運行時不同導葉出口安放角工況下的水力損失曲線。從圖中可以看出,各工況下,軸流泵工作時的水力損失隨著流量的增加而單調下降,呈現出隨著流量增加水力損失減小的一般性規律,流量與水力損失為負相關關系,且隨著流量的增加,曲線逐漸變緩,降低速率下降。各工況下,流量較小時,水力損失與導葉出口安放角呈現負相關關系,導葉出口安放角越大,水力損失越小,而在流量較大時,接近于一致。

圖6 反向運行時水力損失曲線

綜上所述,建議折中取導葉出口安放角,以減小雙向軸流泵在雙向運行時的水力損失。

3.3 壓力脈動分析

考慮到篇幅限制,對導葉出口安放角β分別在70°、80°和90°時設計工況下的計算結果進行壓力脈動分析。

圖7 展示了雙向軸流泵在正向運行時三個監測點在不同導葉出口安放角工況下的壓力脈動時程曲線。從圖7（a）中可以看出,P1監測點即葉片進口前,各不同導葉出口安放角工況下壓力脈動幅值的差異比較小。在P2監測點,即葉片出口與導葉進口處,壓力值相較于P1監測點有所提高,且各工況下差異較為明顯,在導葉出口安放角β=90°時其壓力脈動幅值最大,在β=80°時,壓力脈動幅值最小。在P3監測點處,即導葉出口段,各導葉出口安放角工況下壓力脈動幅值也有較為明顯的差異,數值較P2監測點有所下降,在導葉出口安放角β=70°時其壓力脈動幅值最大,在β=90°時,壓力脈動幅值最小,呈現出隨著導葉出口安放角增大壓力脈動減小的變化趨勢。因此,在實際軸流泵工作時,通過導葉出口安放角的改變,可以對正向運行時雙向軸流泵內部壓力脈動進行調節,選取合適的導葉出口角,以減小流泵內壓力脈動幅值。

圖7 正向運行時壓力脈動時域圖

圖8 展示了雙向軸流泵在反向運行時三個監測點在不同導葉出口安放角工況下的壓力脈動時程曲線。從圖8（a）中可以看出,P1監測點即葉片進口前,各不同導葉出口安放角工況下壓力脈動幅值的差異比較小,呈現出與正向運行時相似規律。從圖8（b）中可以看出,在P2監測點,即葉片出口與導葉進口處,壓力值相較于P1監測點有所降低,且各工況下差異較為明顯,在導葉出口安放角β=80°時其壓力脈動幅值最大,在β=90°時,壓力脈動幅值最小,與正向運行時呈現的規律截然相反。在P3監測點處,即導葉出口段,各導葉出口安放角工況下壓力脈動幅值也有較為明顯的差異,數值較P2監測點有所上升,但低于P1監測點壓力脈動幅值,不同導葉進口安放角工況下,壓力脈動幅值和變化趨勢接近,未出現明顯的差異。

圖8 反向運行時壓力脈動時域圖

4 結論

為研究雙向軸流泵的導葉設計參數對其雙向運行性能的影響,本文基于有限元軟件,建立了雙向軸流泵數值仿真模型,設置了5 個不同導葉出口安放角,對比了各工況下雙向軸流泵的外特性、水力損失和壓力脈動情況。得出主要結論如下：

（1）雙向軸流泵性能受導葉出口的安放角影響較為明顯。正向運行且流量較大時,可以選擇增大導葉出口安放角來提高軸流泵的揚程和效率,最佳流量為0.9Qd,在軸流泵正向運營時高效區偏向于小流量工況。

（2）與正向運行相比,同一流量下,反向運行揚程更高,但在流量較小時運營效率不如正向運行。反向運行時最佳流量為1.2Qd。考慮到軸流泵雙向運行,因此建議導葉出口安放角取80°較為合理。

（3）正向運行時,水力損失隨著流量的增加呈現出先減小后增加的趨勢,最小值出現在0.9Qd附近,不同流量下水力損失差異較大。反向運行時,軸流泵工作時的水力損失隨著流量的增加而單調下降,流量較小時,水力損失與導葉出口安放角呈現負相關關系,導葉出口安放角越大,水力損失越小,而在流量較大時,接近于一致。

（4）導葉出口安放角對軸流泵反向運行時的壓力脈動影響程度較小。增大導葉出口安放角,可以有效降低正向運行時壓力脈動幅值。