高比转速离心泵叶片前缘形状对内流动影响研究

摘 要：

为了研究不同形状的叶片前缘对离心泵内部流场的影响，以比转速ns=180.44的单级单吸离心泵为研究对象，建立了前缘轴比分别为2、3、4的模型，通过CFD中ANSYS CFX计算，得到了泵内部流场的特性以及非定常的性能。结果表明：设计工况下存在一个为3的最优轴比，使泵的效率最大。小流量工况时，Case 3模型流道内流动情况较好，在设计工况时，Case 2模型流线分布和叶轮整体压力分布逐渐优化。适当增大叶片前缘轴比利于改变流体在叶轮进口的流动轨迹，减小压力脉动。随着叶片前缘轴比的增大，0.6Qd工况下叶轮径向力逐渐减小，而0.8Qd工况与设计工况的叶轮径向力变化恰好相反，前者先减小后增大，后者先增大后减小，大流量工况下叶轮径向力受前缘轴比变化的影响较小。研究所得成果为离心泵设计、运行管理提供参考。

关键词:

叶片前缘形状; 高比转速离心泵; 压力脉动; 径向力；

陈洪阳(1997—),男，硕士研究生，主要从事水利工程和流体机械研究。E-mail:996878563@qq.com;

*宋文武(1965—),男，教授，硕士，主要从事水利水电工程、动力工程及工程热物理研究。E-mail:wenwus@163.com;

基金：

流体及动力机械教育部重点实验室开放基金(szjj2014-045);

引用：

陈洪阳, 宋文武, 王宾, 等. 高比转速离心泵叶片前缘形状对内流动影响研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(10): 80- 88.

CHEN Hongyang, SONG Wenwu, WANG Bin, et al. Study on influence of blade leading edge shape on internal flow in centrifugal pump with high specific speed[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 80- 88.

0 引 言

目前，随着计算机数据处理和分析性能的快速发展，已有大量国内外学者基于Ansys数值模拟对不同的叶轮叶片结构泵内部流场的流动特性展开研究。张金凤等选用分流叶片离心泵为研究对象来分析长短叶片尾缘形状对性能与内部流场的影响，对长短叶片尾缘压力面和吸力面进行不同厚度切削，采用SST-SAS湍流模型对各方案进行计算，发现压力面切削PSF有效提高了离心泵效率，改善了动静干涉效应。汪岩飞等采取改变叶片背面宽度的方法从而来改变叶片结构，同时运用ANSYS-Fluent 软件数值模拟对不同方案进行全流道的仿真计算，得到了叶片背面宽度改变对泵外特性与流场分布的影响规律，结果表明，叶片宽度增加了泵的扬程与轴功率消耗，降低了泵的效率。王鹏等通过对某双吸式离心泵的叶片进行“V”型切割，应用CFD数值计算对切割后的泵流体动力性能进行分析，结果表明了切割角度与压力梯度之间的关系。许骁等对叶片出口处进行三角形切割，用RNG k-ε湍流模型，通过FLUENT软件进行三维模拟，验证了数值模拟的可靠性。

KANG等通过对某离心泵在不同工况下运行进行CFD仿真模拟计算，得到了不同监测点压力脉动的时域和频域响应，研究表明，动静相互作用引起的流场不均匀，导致了压力分布不均匀和压力脉动不均匀，验证了仿真模型和计算方法的准确性。LEI等基于SST液体湍流模型，对叶片不同磨损程度的离心泵内固液两相流动在不同工况下进行了模拟，结果表明，当在非设计工况下效率随着磨损程度的增加而减小。LUO等基于CFD对钝型、尖型、椭圆型和圆形等不同叶片前缘进行了仿真分析，研究表明，前缘形状对叶轮内的失速流型、速度、压力有较大的影响，为叶型设计减小旋转失速提供了参考。

1 计算模型与方法

1.1 模型依据

1.2 几何模型

模型基本参数：设计流量Qd=620 m3/h, 转速n=1 450 r/min, 比转速ns=180.44,叶轮直径D1=347 mm, 叶轮进口直径D2=225 mm, 出口宽度b=54 mm, 扬程H=24 m, 叶片包角φ=108°,叶片数Z=5。

图1 不同椭圆轴比的模型剖面

图2 离心泵三维模型

1.3 网格划分

在CFD数值模拟计算中，运用ANSYS ICEM软件对计算域进行网格划分，为保证计算稳定性和得到精确的计算结果，采用非结构网格，对每种模型叶片前缘、隔舌、叶轮进行网格局部加密，来减小在数值模拟中带来的计算误差，并且各模型的总网格数均在254万左右，图3为离心泵全流道三维计算域网格，图4为叶轮网格模型。

图3 计算域网格

图4 叶轮网格

1.4 计算方法及边界条件

2 网格无关性分析

3 结果分析

3.1 外特性分析

为了研究叶片前缘轴比对高比转速离心泵外特性的影响，对不同流量工况下的计算结果进行分析，得到流量-效率、流量-扬程曲线。

离心泵的扬程和效率公式如下

式中，P1为进口压力(Pa);P2为出口压力(Pa);Δz为进出口高度差(m);M为叶轮旋转扭矩(N·m);ω为角速度(rad/s)。

图5为改变离心泵叶片前缘轴比时离心泵的外特性曲线分布，由图5可知，叶片前缘轴比在不同流量工况下对离心泵的影响不同，在小流量时，随着叶片前缘轴比的增加，泵效率呈先上升再下降的趋势；在设计工况下，存在一个最优的轴比即轴比为3使离心泵效率达到最佳且效率点向小流量偏离；在大流量工况下，不同轴比下的效率均下降，其中轴比为2的方案效率下降最快，这是因为在不同轴比下水体进入叶轮时改变了进口宽度，摩擦损失也会增加。根据流量扬程曲线可知，三个轴比模型下，从小流量工况到设计流量工况的扬程均逐渐增加到最大，而设计流量工况到大流量工况扬程逐渐减小；无论是小流量工况还是大流量工况，随着叶片前缘轴比的增大扬程均是先增加后减小。

图5 不同叶片前缘轴比对离心泵外特性的影响

3.2 相同轴比模型不同流量工况的对比分析

离心泵在长期输送流体过程中，存在低于或者高于设计流量的液体经过泵内部的情况，图6、图7分别为相同轴比模型在不同流量工况下的流线图和压力云图，由图6可知，在0.6Qd时，流道内的涡流漩涡较大，由于流量较小时，流体的速度相对较低，加上离心力的作用使出口的流速大于进口段速度，从而导致流体脱流产生小范围的涡流漩涡。随着流量的增大涡流的漩涡逐渐减小，流量达到设计工况时流体受到的离心力与重力基本平衡，因此漩涡消失。流道内产生漩涡，会阻碍流体的正常流动，对流体产生额外的阻力，改变了流体速度的方向，对叶片体造成很大的冲击损失并出现噪音和振动，影响泵的工作效率以及寿命。通过分析，在设计工况时，Case 2模型的流动情况更优，而偏工况时Case 3模型的流动情况较好。

图6 相同轴比模型在不同工况下的流线

图7 相同轴比模型在不同工况下的压力

由图7可知，在叶轮流道内，从进口到出口压力逐渐增加，进口处压力最小，出口处压力最大；由叶轮进口到出口的压力梯度分布较均匀，且随着流量的增加压力梯度逐渐减小，在小流量工况时出现了负压，随着流量增加负压区域减小。对比三种轴比模型可以发现，当偏离设计工况时，方案Case 2的整体压力分布要比Case 1和Case 3两种方案的整体分布情况要好，存在此现象的原因是当轴比为3时，在小流量工况下，叶片前缘的形状更有利于流体的运动，即有相对较好的流型，因此也就减小了流体对叶轮内部的冲击损失，负压区域范围也随之减小。随着流量增加至标准或者大流量工况时，三种模型方案的差异性不大。

3.3 压力脉动变化规律分析

由于离心泵内部的动静干涉作用以及二次回流等各方面的影响因素使得泵内部的压力随着时间的推进呈现周期变化，即为压力脉动。

图8 压力脉动监测点位置

3.3.1 离心泵时域分析

图9表示在离心泵内监测点三种不同流量下压力脉动时域分布，由图9可知，叶轮旋转一个周期，监测点所在的压力脉动波动5次，在Q/Qd=1.2时该分布规律更加明显。

图9 不同流量工况下离心泵内监测点压力脉动时域

在小流量工况下，从叶轮进口到叶轮出口的压力脉动值逐渐增加，变化幅度基本一致，沿着流体流动轨迹到叶轮与蜗壳交界面时压力脉动变化幅度达到最大，流体进入蜗壳之后压力脉动值继续增加。当增大叶片前缘轴比时，在同一位置的压力脉动值先减小后增大。在设计流量工况时，相同前缘轴比下，流体从叶轮进口到叶轮出口的压力脉动值逐渐增大然后达到平稳状态，并且此工况下压力脉动变化幅度较小，在叶轮出口与蜗壳交界面处监测点P4、隔舌处监测点T的压力脉动变化幅度较大。随着叶片前缘轴比的增大，隔舌的压力脉动值基本不变，但压力脉动的变化区间先减小后增大，可能是在不同叶片前缘轴比下流体的流动状态发生变化，因此在隔舌可能产生了回流，引起了压力脉动的区间变化。当Q/Qd=1.2时，在叶轮出口与蜗壳交界面处的监测点P4压力脉动最大，随着轴比的增大，P4的压力脉动逐渐增大，而变化的区间先增大后减小。

3.3.2 叶轮流道内部频域以及径向力分析

图10为不同叶片前缘轴比的离心泵内部监测点的压力脉动时域通过FFT变化得到的频域分布图。由图10可知，三种方案的各监测点都在1倍转频(24.167 Hz)出现脉动主频，在叶轮流道内沿着流体流动的方向压力脉动幅度逐渐增加，在叶轮出口与蜗壳交界面处达到最大的压力脉动幅度值，说明此处的流体运动较为复杂。

当叶片前缘轴比从2增大到4时，各监测点的压力脉动的幅度逐渐较小，尤其轴比从3到4较为明显，说明适当增大叶片前缘轴比在一定程度上改变了流体在叶轮出口处的流线，进而降低压力脉动。在蜗壳监测点V、隔舌监测点T的压力脉动随着叶片前缘轴比的增大而变化幅度不大。

图11表示在不同流量工况下叶轮流道内不同方案叶轮径向力矢量分布图。图11表明在动静干涉作用影响下，同种流量工况时不同的叶片前缘轴比方案的叶轮径向力分布基本相近，在一个叶轮旋转周期均出现5个周期，大致呈五角星形状。

在Q/Qd=0.6工况下，随着叶片前缘轴比的增大叶轮径向力逐渐减小，而在Q/Qd=0.8工况时，随着叶片轴比的增大叶轮径向力先减小后增大。设计流量工况下，叶轮径向力随着叶片前缘轴比的增大呈现先增大后减小，此工况下径向力的变化范围最小，但方向变化比较剧烈。大流量工况下，叶轮径向力随轴比的增大而基本不变，在1.2Qd时，三种方案叶轮径向力基本重合，径向力分布呈现较规则五角星形状。说明随着流量增大到大流量工况时，改变叶片前缘轴比对叶轮径向力的分布影响较小。

图10 不同叶片前缘轴比离心泵内部监测点频域分布

图11 不同流量工况下叶轮径向力分布

4 结 语

(1)小流量工况时，随着叶片前缘轴比的增大，泵效率整体呈先上升后下降的趋势，设计工况下存在一个最优轴比为3使泵的效率最大。

(2)小流量工况时，Case 3模型流道内流动情况较好，叶轮进口出现负压，随着流量的增加负压减小。设计工况时，Case 2模型流线分布和叶轮整体压力分布逐渐优化。

(3)随着叶片前缘轴比增大，在小流量工况下，在相同监测点的压力脉动值先减小后增大，而设计工况下压力脉动逐渐降低，说明适当的增大叶片前缘轴比有利于改变流体在叶轮进口的流动轨迹，从而降低压力脉动。

(4)随着叶片前缘轴比的增大，0.6Qd工况下叶轮径向力逐渐减小，而0.8Qd工况与设计工况的叶轮径向力变化恰好相反，前者先减小后增大，后者先增大后减小，在大流量工况下，叶轮径向力受前缘轴比变化的影响较小。

水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也 道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。