（化工过程机械专业论文）基于cfd的带分流叶片离心泵内部流场及性能研究.pdf

摘要 摘要 离心泵是一种广泛应用于国民经济各个领域的通用水力机械，按照传统方 法设计的离心泵都有效率低、易过载、扬程曲线出现驼峰、小流量工况下不稳 定以及运行时容易产生振动和噪声等问题，添加分流叶片设计法是目前解决上 述问题，改善离心泵性能最有效的方法之一。针对已往研究的带分流叶片离心 泵结构较为单一，本文首先对一种已往研究较少的长中短叶片离心泵进行研究， 然后设计出一种结构新型的双分流叶片离心泵，并进行研究，以期为带分流叶 片离心泵的结构设计提供新的思路和方法，最后利用非定常数值计算的方法探 索分流叶片对泵体诱导振动和噪声的影响。主要工作和结论有： ( 1 ) 以i s 5 0 3 2 1 2 5 型离心泵作为模型泵，建立了计算模型和确定了数值 计算方法，探讨了湍流模型、网格尺寸和收敛精度对计算结果的影响，并通过 离心泵外特性试验，验证了本文所采用的计算模型和计算方法的准确性。 ( 2 ) 在模型泵的基础上设计出长中短叶片离心泵，并采用正交数值模拟研 究的方法对长中短叶片离心泵叶轮的主要几何结构参数，如中分流叶片进口直 径、短分流叶片进口直径、中短分流叶片周向偏置度等3 个因素进行研究，获 得了各几何结构参数与离心泵性能之间的关系，同时得到了各几何结构参数对 离心泵性能影响的主次顺序。设计出的最佳长中短叶片离心泵扬程在全流量工 况范围内比模型泵提高了1 6 5 9 0 o , - - 4 7 1 5 ，整机效率在大流量区域比模型泵提高 了o 7 8 1 2 6 7 。 ( 3 ) 在模型泵的基础上设计出双分流叶片离心泵，并通过数值模拟的方法 探讨了双分流叶片离心泵叶轮主要几何结构参数，如双分流叶片进口直径、双 分流叶片周向偏置度及叶片数对离心泵内部流场及整机性能的影响，得出了各 几何结构参数的最优设计取值。设计出的最佳双分流叶片离心泵，扬程在全流 量工况范围内比模型泵增加了1 5 0 2 3 6 6 3 ，效率在大流量区域比模型泵提高 了1 9 2 - 1 2 4 4 ，而且扬程曲线更加平坦，效率曲线向大流量方向偏移，高效 区也变宽了。 ( 4 ) 采用滑移网格技术对4 种不同叶轮类型的离心泵在小流量工况、最佳 工况和大流量工况下进行非定常数值计算，由此获得了4 种离心泵在一个周期 摘要 内不同时刻的压力分布情况，同时在蜗壳流道内设置了6 个监测点，监测各处 压力随叶轮旋转的变化曲线，最终结果表明：采用长中短叶片布置或添加双分 流叶片可使离心泵流道内的压力波动大幅减小，有效地改善了离心泵的诱导振 动和噪声情况。 关键词：离心泵分流叶片长中短叶片非定常流动性能预测 a b s t r a c t a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m pi sac o m m o n l yh y d r a u l i cm a c h i n e r y , w h i c hi sw i d e l ya p p l i e d i nv a r i o u sa r e a so fn a t i o n a l e c o n o m y w h e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a l m e t h o d s ，c e n t r i f u g a lp u m ph a ss u c hp r o b l e m sa sl o we f f i c i e n c y , e a s yt oo v e r l o a d ， e a s yt ob eh u m pf o rt h eh e a dc u r v e ，i n s t a b i l i t yi nl o wf l o wc o n d i t i o n s ，v i b r a t i o na n d n o i s ea n ds oo n ，t h em e t h o do fa d d i n gt h es p l i t t e rb l a d e si st h eo n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s b e c a u s eo ft h ep r e v i o u ss t u d i e d s t r u c t u r eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m pw i t hs p l i t t e rb l a d e si sr e l a t i v e l ys i n g l e ，s oi nt h e p a p e r , f i r s t l y , t h el o n g m i d - s h o r tb l a d ec e n t r i f u g a lp u m p ，w h i c hf e ws t u d i e di nt h e p a s t ，w a ss t u d i e d ，t h e nan e wt y p es t r u c t u r eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m pw i t hs p l i t t e r b l a d e s ：d u a ls p l i t t e rb l a d ec e n t r i f u g a lp u m pw a so r i g i n a l i t yd e s i g n e da n ds t u d i e d ，i n o r d e rt op r o v i d ean e wd e s i g ni d e aa n dm e t h o do ft h ec e n t r i f u g a lp u m pw i t hs p l i t t e r b l a d e s ，t h e nh o wt h es p l i t t e rb l a d e si n f l u e n c eo nt h ei n d u c e dv i b r a t i o na n dn o i s ew a s e x p l o r e db yu n s t e a d yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ei s 5 0 - 3 2 - 1 2 5p u m pw a st a k e na st h em o d e lp u m pt oe s t a b l i s ha n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n dd e t e r m i n et h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，a n dav a r i e t y o ft u r b u l e n c em o d e l s ，m e s hs i z e sa n dc o n v e r g e n c ea c c u r a c yw e r ed i s c u s s e d t h e nt h e c o r r e c t n e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e la n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o dw e r ev e r i f i e d t h r o u g ht h ec e n t r i f u g a lp u m pc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t a l ( 2 ) n l el o n g m i d - s h o r tb l a d ec e n t r i f u g a lp u m pw a sd e s i g n e do nt h eb a s eo ft h e m o d e lp u m p ，a n dt h eo r t h o g o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt os t u d y t h r e em a i nd e s i g ng e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gi n l e td i a m e t e ro fm i d - s p l i t t e rb l a d e ， i n l e td i a m e t e ro fs h o r t s p l i t t e rb l a d e ，m i d s p l i r e ra n ds h o r t - s p l i t t e rb la d eb i a sa n g l ei n c i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o nt oo b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a n dt h ec e n t r i f u g a lp u m pp e r f o r m a n c e ，t h e nt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys e q u e n c eo f t h et h r e em a i nd e s i g ng e o m e t r i cp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d 1 1 1 eb e s tl o n g - m i d s h o r t b l a d ec e n t r i f u g a lp u m p ，w h i c hh e a di n c r e a s e16 5 9 - 4 7 15 i nt h ew h o l er a n g eo f f l o wc o n d i t i o nt h a nt h em o d e lp u m p ，w h i c he f f i c i e n c yi n c r e a s e0 7 8 0 o - 12 6 7 i nt h e i l l a b s t r a c t l a r g ef l o wc o n d i t i o nt h a nt h em o d e lp u m p ( 3 ) av a r i e t yo fd u a ls p l i t t e rb l a d e sc e n t r i f u g a lp u m pw e r ed e s i g n e do nt h eb a s e o ft h em o d e lp u m p ，b yu s i n gd i f f e r e n tg e o m e t r yp a r a m e t e r ss u c ha si n l e td i a m e t e ro f s p l i t t e rb l a d e s ，d u a ls p l i t t e rb l a d e sb i a sa n g l ei nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o na n db l a d e s n u m b e r t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h e s eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h ep u m pi n n e rf l o w f i e l da n dt h em a i np e r f o r m a n c ew a sd i s c u s s e d ，a n dt h eb e s t d e s i g nv a l u e sw e r e o b t a i n e d t h eb e s td u a l s p l i r e rb l a d e sc e n t r i f u g a lp u m p ，w h i c hh e a di n c r e a s e 15 0 2 3 6 6 3 i nt h ew h o l er a n g eo ff l o wc o n d i t i o nt h a nt h em o d e lp u m p ，w h i c h e f f i c i e n c yi n c r e a s e1 9 2 12 4 4 i nt h el a r g ef l o wc o n d i t i o nt h a nt h em o d e lp u m p ， a tt h es a r n et i m et h eh e a dc h i v eb e c o m em o r ef l a t ，a n de f f i c i e n c yc h i v es h i f tt ot h e l a r g ef l o wr a t e ，t h eh i g he f f i c i e n c ya r e a si sa l s ow i d e n e d ( 4 ) t h ef o u rd i f f e r e n tt y p e so fc e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e rw e r eu n s t e a d y n u m e r i c a lc a l c u l a t e da tl o wf l o wc o n d i t i o n ，t h eb e s tw o r k i n gc o n d i t i o na n dh i g hf l o w c o n d i t i o nb yu s i n gt h e s l i d i n gm e s ht e c h n o l o g y , i no r d e rt og e tt 1 1 ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no ft h ef o u rd i f f e r e n tt y p e so fc e n t r i f u g a l i m p e l l e ri nac y c l e ， w h i l es i xm o n i t o r i n gp o i n t sw e r es e tu pi nt h ev o l u t ef l o wc h a n n e l ，i no r d e rt o m o n i t o rt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nc o n d i t i o nd u et oi m p e l l e rr o t a t i o n , t h ef i n a lr e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o no fl o n g m i d - s h o r tb l a d ec e n t r i f u g a lp u m pa n d d u a ls p l i r e r sb l a d ec e n t r i f u g a lp u m pi nt h ef l o wc h a n n e li st h es m a l l e s t , t h u st h et w o p u m p sh a v et h eb e s tp e r f o r m a n c eo fa v o i d i n gt h ev i b r a t i o na n dn o i s e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；s p l i t t e rb l a d e s ；l o n g m i d - s h o r tb l a d e ；u n s t e a d y f l o w ；p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n i v 1绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 离心泵是一种把原动机的机械能转换成所输送液体的能量( 动能、位能、 压能) 的水力机械，同时是一种量大面广的机械设备，广泛应用于给水排水及 农业工程、固体颗粒或液体输送工程、石油及化工工程、航空航天及航海工程、 能源工程、车辆工程等国民经济各个部门【卜3 1 。离心泵由于结构简单、操作方便、 适用范围广、运行可靠等特点，因此也是所有泵类设备中使用最广泛的一种， 据统计，每年生产的泵类产品中，离心泵大约占到7 0 左右【4 1 。由于离心泵的使 用广泛，因而离心泵的电能消耗量十分巨大，是典型的耗能大户，据国家相关 统计数据显示，全国每年总发电量的1 0 以上都用于了离心泵，在有些企业， 甚至总电能消耗的3 0 以上都与离心泵系统有关【5 - 6 1 。目前国内大部分离心泵的 运行效率还不到6 0 ，比国外同类产品平均低l o 3 0 【7 _ 8 】，因而国内离心泵产 品的节能潜力十分巨大。在当前大力提倡“节能减排 和“低碳经济 的宏观 背景下，提高离心泵的总体性能和运行效率，将对整个国民经济发展、资源节 约和环境保护起到积极作用。 影响离心泵效率和性能的因素有很多，但最主要的因素是蜗壳和叶轮等过 流部件的设计，尤其是离心泵的叶轮部分，可以说是离心泵的心脏，叶轮设计 是否合理在很大程度上决定了离心泵效率的高低和性能的好坏1 9 。1 2 】。而当前，离 心泵叶轮的传统设计思路基本陷入了一个矛盾当中。根据叶片泵的基本方程 欧拉方程可知，要想提高离心泵的扬程可以通过以下措施来实现：增大叶 轮直径、增大叶片出口角、增加叶片数和提高叶轮转速等，但是利用这些措施 提高离心泵扬程的同时也造成了新的问题。由于离心泵的圆盘损失与叶轮直径 的5 次方成正比，因而增大叶轮直径会大大增加离心泵的圆盘损失，造成离心 泵的效率下降i l 习；增大叶片出1 ：3 角会减小相应叶片的包角，使叶片尺寸变短， 叶轮流道狭长，流动扩散严重；增加叶片数则会增大叶轮进口的排挤，减小叶 轮进口流道面积，增大气蚀的可能；而提高叶轮转速又会使流道内流体所受的 离心力和科氏力增大，造成叶轮进口的二次回流和出口的射流尾流现象出现 1 4 - 1 6 1 。因此，按照传统方法设计的离心泵都有效率低、扬程曲线出现驼峰、效 1绪论 率曲线平坦、小流量工况下不稳定而大流量工况下电机易过载以及运行时容易 产生振动和噪声等问题【1 7 d 9 j 。 为了解决离心泵常规设计法所遇到的问题，国内外学者又提出了多种离心 泵设计理论和方法，其中添加分流叶片法是目前解决上述设计矛盾，提高离心 泵性能最有效的方法之一，但到目前为止，分流叶片的设计理论和设计方法都 还很不完善。c f d 技术的快速发展为深入研究分流叶片对离心泵流场和性能的 影响机理提供了有力的手段，所以本文利用c f d 技术对带分流叶片离心泵整机 三维复杂湍流场进行研究，分析分流叶片对离心泵内部流场及性能的影响，优 化和扩充现有带分流叶片离心泵的设计方法，改善离心泵的性能。 1 2 离心泵设计方法的研究现状 1 2 1离心泵设计方法概述 长期以来，基于一元理论和相似理论建立起来的速度系数法和模型换算法 一直是工程上离心泵设计的最主要方法【2 0 乏5 1 ，此类设计方法具有简单实用、快 捷、可靠等优点，因此直到今天，仍然是离心泵设计最常用的方法。但是随着 科技的进步和时代的发展，此类设计方法的劣势逐渐显现出来，设计出来的离 心泵效率不高，性能无法满足当前的需要。为了设计出高性能离心泵，国内外 研究者进行了大量的研究，逐渐开发和形成了多种设计理论和设计方法，概括 起来主要有：面积比设计法、加大流量设计法、无过载设计法和添加分流叶片 设计法等，下面逐一进行介绍。 ( 1 ) 面积比设计法 离心泵面积比设计理论是由a n d e r s o n 【2 6 】首先提出来的，他认为，叶轮出口 过流面积与泵体喉部面积之比是决定离心泵流量、扬程和轴功率等特性的主要 因素。面积比设计法的关键在于探寻出叶轮几何参数和泵体几何参数( 主要是 喉部面积) 之间的最佳匹配关系 2 7 3 0 。目前国内外已有大量的关于面积比设计 法的设计资料，大多数给出了离心泵比转速、扬程、流量与面积比之间的关系 曲线，参照此类曲线即可设计出新的离心泵叶轮。 ( 2 ) 加大流量设计法 加大流量设计法的实际就是在一定范围内，加大或者减小某个设计参数( 流 量、扬程、转速等) 来提高或者降低离心泵的性能【3 l 】，这种设计法的理论根据 2 1绪论 是离心泵的设计参数与性能之间的关系：泵的设计参数决定了泵的几何参数( 叶 片出口角、叶片出口宽度、叶轮外径、泵体喉部面积等) ，泵的几何参数又决定 了泵内流体的运动状况，而泵的性能参数正是泵内流体运动状况的外在表现， 上述关系如图1 1 所示。但是利用加大流量法设计的离心泵也有一些缺陷，如扬 程曲线变得平坦或者出现驼峰使运行不稳定，轴功率增大使得在大流量区域运 行易过载，小流量区域运行效率低等【3 1 l 。 泵性能卜_ _ 叫内部运动状况卜_ 叫几何参数卜叫设计参数 提高 降低 修正的设计参数 加大 减小 图1 1 泵性能与设计参数之l 司的关系 ( 3 ) 无过载设计法 无过载离心泵又称为全扬程泵或者全流量泵，即在关死扬程到零扬程范围 内的任何工况点运行，均不发生过载的离心泵【3 2 1 。无过载设计法就是为了设计 出无过载离心泵，解决普通离心泵在大流量区域易过载的问题，一般通过减小 叶片出口角、出口宽度、泵体喉部面积等参数来实现。该设计法设计出来的离 心泵也有一些缺点，如流道狭窄、叶片包角大、不利于加工制造，且效率低等【3 3 1 。 ( 4 ) 添加分流叶片设计法 添加分流叶片设计法的原理就是在两个长叶片之间添加一个或者多个分流 短叶片，从而改善离心泵流道内流体的速度和压力分布，防止脱流、回流、尾 流等不良情况的发生，提高离心泵的性能，该方法的缺点就是增大了加工制造 的难度和工作量。 综上所述，前三种设计方法分别是针对不同的设计目标提出的，如叶轮几 何参数和泵体几何参数的匹配、运行效率、无过载等，有各自的优势，但都存 在一定的缺陷。而添加分流叶片设计法则从离心泵内部流场的角度出发，通过 改善不合理的流动状况、减少流动损失等方式来提高离心泵的性能。总的来说， 添加分流叶片设计法是当前离心泵最有发展前景的设计方法之一【3 4 。3 5 1 。 1 2 2 添加分流叶片设计法研究现状 上世纪7 0 年代，前苏联学者x q o n e h k o b 兀p 【3 6 】最早对离心泵叶轮添加分流 3 1 绪论 短叶片进行研究，他对2 k 。6 型离心泵叶轮进行切割，然后在出口处焊接1 8 个 叶片型线、出口角完全一样的短叶片，结果使得离心泵的扬程提高了2 0 9 5 ， 整机效率在大流量区域提高1 2 , - - - 1 8 ，同时汽蚀和噪音也得到了改善，由此他 指出，在叶轮出口处长叶片之间添加短的辅助叶片，可以设计出更加高效的离 心泵。 此后b e c e n o bbm p7 j 依照文献【3 6 】中提到的方法，在u h a 2 6 0 型离心泵的长 叶片叶槽间增设短叶片，并进行试验，最后试验研究结果表明：增加短叶片能 大幅提高离心泵的扬程，同时不降低离心泵的效率。 a s u a j em 【3 8 】等对添加分流叶片离心泵和普通离心泵同时进行了多工况的数 值计算和实验研究，研究结果认为：叶片数越多，滑移系数就越大，添加分流 叶片后，离心泵的扬程在全流量工况范围内比普通离心泵扬程提高了1 0 1 5 。 y u a ns t 3 9 】认为要想解决低比转速离心泵的三大问题：效率低、易过载、扬程 曲线出现驼峰，添加分流叶片设计法应该是最有效的方式之一，他同时给出了 相应分流叶片的几何设计尺寸。 m u s t a f ag 【4 0 4 2 】等，利用神经网络的方法研究了带分流叶片深井泵的扬程曲 线，通过改变叶片长度和叶片数进行对比分析，最后得到了分流叶片的最佳设 计方案，其最佳效率比原深井泵提高6 6 。 m i g u e la 1 4 3 】等，采用数值模拟计算的方法分析了不同工况下，分流叶片对离 心泵叶轮和蜗壳内部流场及性能的影响。 k e r g o u r l a yg t 4 4 】也利用数值模拟的方法对添加分流叶片离心泵和普通离心 泵进行多工况下的数值模拟和试验对比研究 另外m i y a m o t oh 4 5 】，g u il t 4 6 1 ，k u ild t 4 7 】也都对带分流叶片离心泵进行了 研究。我国最早对离心泵叶轮添加分流叶片进行研究的是博山水泵厂【4 8 】。此后， 国内越来越多的研究者对添加分流叶片设计法进行了理论或者实验研究，探索 分流叶片对离心泵内流场和性能的影响，大多数研究结果都表明：分流叶片对 提高离心泵性能具有明显的作用。 王集忖【4 9 】对带诱导轮的离心泵进行研究，这种离心泵原叶轮含有1 2 个长叶 片，他将部分离心泵叶轮改造为6 个长叶片加6 个分流短叶片搭配，然后与未 作修改的离心泵进行对比试验研究，结果显示：改造后的离心泵扬程提高了2 5 左右。 4 1绪论 查森、杨敏官【5 0 1 通过研究后提出：超短叶片偏置设计法可以提高低比转速 离心泵的效率。 周德峰【5 l 】将潜水泵叶轮改进设计成双级叶轮，即叶片前段为后弯，后段为 前弯，同时在每个叶槽中添加分流短叶片，使得离心泵的扬程有了明显的提高。 张成冠【5 2 1 对r c w 1 1 7 叶轮进行添加分流叶片改造，然后对模型进行气蚀性 能和磨损性能试验研究，研究结果证明：添加分流叶片的叶轮具有优良的水力 性能，最高效率提高了2 左右，汽蚀余量减小了1 5 左右。 朱祖超、王乐勤 5 3 - 5 4 】等对低比转速离心泵带分流叶片的复合叶轮设计进行 探讨，并给出了叶片数、滑移系数、叶轮直径、分流叶片进口直径等几何参数 的设计计算方法，同时通过试验，验证了分流叶片能够提高泵的扬程、效率和 改善泵运行的稳定性。 袁寿其、张玉臻【55 】设计了l 9 ( 3 4 ) 正交试验，探索分流叶片设计过程中， 周向偏置度、进口直径、偏转角、固定位置等4 个因数对离心泵性能的影响， 结果表明：分流叶片进口直径取( 0 6 - 0 7 ) d 2 ，并且向长叶片吸力面进行偏置 和偏转时，泵的性能有明显的改善。 齐学义、倪永燕【5 6 】对分流叶片偏置的设计准则进行了研究，提出“分流叶 片的布置应使叶轮流道内的回流区域最小为原则 。根据此原则，并利用滑移理 论为工具，最终得到了分流叶片偏置的最佳位置。 陈松山、周正富【57 】等利用正交试验研究了分流叶片进口直径、进口偏置角、 出口偏置角等3 个因数对离心泵性能的影响，结果表明：分流叶片对离心泵的 扬程有一定的提高，但对效率的影响视情况而定，差异较大；当分流叶片进口 直径为o 4 ( d 2 d 1 ) + d l ，进口偏置角为1 0 。，出口偏置角为o 。时，泵性能有 明显的改善。 袁寿其、张金风等【5 8 枷】采用数值模拟、正交试验、p i v 测试等方法研究了分 流叶片主要参数对泵流场及性能的影响，研究结果揭示了不同分流叶片设计参 数下的离心泵内部流场的速度和压力分布情况，同时分析了不同分流叶片几何 参数对离心泵性能的影响。 朱祖超等【6 l 】研究了长中短叶片结合的复合式叶轮，总结了长中短叶片叶轮 几何结构参数的经验确定方法和相关约束条件。 大多数学者从外特性试验和内部流动机理方面对分流叶片离心泵进行了较 为深入地探索，对分流叶片提高离心泵性能的机理也有一定的认识，但是研究 5 1绪论 都具有一定的局限性。首先，研究的带分流叶片离心泵结构单一，基本都是在 两个长叶片之间添加一个分流短叶片这种结构类型，仅有少部分学者对长中短 叶片结合的叶轮结构形式进行了研究；其次，大部分都只是研究分流叶片对泵 流道内压力和速度等流场分布、泵扬程和效率等外特性的影响，而很少研究分 流叶片对泵流道内压力脉动、诱导振动和噪声的影响；另外，将分流叶片离心 泵性能预测与流场分析结合起来的研究也不多见。 1 3 本文的研究内容 针对已往研究的带分流叶片离心泵普遍都是同一种结构形式，即在两个长 叶片之间添加一个分流短叶片，而很少研究其他结构形式的带分流叶片叶轮。 因此在本文中，先对已往研究不多的长中短叶片离心泵进行正交数值模拟研究， 然后设计出一种结构新型的双分流叶片离心泵，并利用数值模拟的方法对其进 行研究，系统地分析这两种类型离心泵的分流叶片几何结构参数对离心泵整机 流场内部流动规律的影响，同时对整机性能进行预测，分析叶轮几何结构参数 与泵性能之间的关系，以期为带分流叶片离心泵的结构设计提供新的思路和方 法。另外利用非定常数值计算的方法，探索分流叶片对离心泵内部压力脉动及 诱导振动和噪声的影响。本文的研究内容具体包括以下几个部分： ( 1 ) 对当前离心泵的主要设计方法进行简要介绍，并总结带分流叶片设计 法的国内外研究现状；介绍离心泵的基本理论方程及叶轮内部流动特性，为后 续分析分流叶片对泵内部流场的影响提供理论基础 ( 2 ) 以i s 5 0 3 2 1 2 5 型离心泵作为模型泵，利用p r o e n g i n e e r 和g a m b i t 软 件对其整机模型( 包括进水管、叶轮、蜗壳及出水管) 进行三维建模和网格划 分，并考核网格独立性和确定数值计算方法。 ( 3 ) 对模型泵整机模型进行多工况下的数值模拟，预测其性能曲线，然后 利用i s 5 0 3 2 1 2 5 型离心泵外特性试验结果进行验证，以确保该计算方法的可靠 性，为后续的数值研究做好铺垫。 ( 4 ) 在模型泵的基础上对叶轮进行改进设计，采用长中短叶片结合的布置 方法，设计成长中短叶片离心泵，然后利用正交数值模拟的方法分析中分流叶 片进口直径、短分流叶片进口直径、中短分流叶片周向偏置度等3 个因素对离 心泵整机性能的影响。 6 1绪论 ( 5 ) 在模型泵的基础上对叶轮进行改进设计，在各长叶片叶槽中添加两个 分流叶片，设计成双分流叶片离心泵，然后利用数值计算的方法分析双分流叶 片进口直径、双分流叶片周向偏置度和叶片数等因素对离心泵内部流动规律及 整机性能的影响。 ( 6 ) 对几种带分流叶片离心泵及模型泵进行非定常数值计算，研究各离心 泵内部的非定常流场，探讨分流叶片对离心泵诱导振动和噪声的影响。 7 2 带分流叶片离心泵的相关理论 2 带分流叶片离心泵的相关理论 2 1 离心泵的基本方程 2 1 1速度三角形 由于叶轮本身是作高速旋转的，因而叶轮流道中流体相对于绝对坐标( 固 定在地球上) 是作复合运动，速度为绝对速度；而相对于相对坐标系( 固定在 叶轮上) 是作相对运动，速度为相对速度；相对坐标系随叶轮本身的运动称为 牵连运动，速度为牵连速度。在叶轮中任何一点处，液体质点的绝对速度v 都是 该点处牵连速度甜和相对速度w 的矢量和，即： l ，= ”+ w( 2 1 ) 当叶轮以角速度旋转，该点处的半径为，牵连速度“则可表示为： = 0 3 ，( 2 2 ) 绝对速度可以分解为两个垂直的分量：圆周分量屹和轴面分量，即： y = v u + ( 2 3 ) 以上关系可以用一个矢量三角形来表示，这就是离心泵的速度三角形，如 图2 1 所示。 2 1 2 基本方程 一 u 图2 1离心泵速度三角形 单位重量的流体经过叶轮获得的能量总和，在离心泵中称为扬程乜计算扬 程的公式就是离心泵的基本方程，基本方程既可以由伯努利方程推导出来，也 可以由动量矩定理推导出来【2 】，其一般形式为： 日：生蔓+ 兰幺2 + 生监( 2 4 ) 2 92 92 9 8 2带分流叶片离心泵的相关理论 由速度三角形可得： 砰= 嵋+ 钳? - 2 u i v i c o s 6 9 = 0 + “i 2 - 2 u l v u l w e = 2 + “；- 2 u 2 v 2 c o s = 嵋+ 甜；- 2 u 2 圪2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 代入式2 4 中，可得： 日：竺2 匕2 二垫匕!( 2 7 ) g 当流体在叶轮进口为径向流入，即屹。= 0 ，则： 日= 型，卫( 2 8 ) g 由速度三角形可得： 屹2 = 甜2 一2c o t 屈 ( 2 9 ) 而 ：2 警 ( 2 1 0 ) 式中，以为叶轮出口截面面积。 将式2 9 和2 1 0 代入式2 8 得： 日2 等一詈考c o t 厦 q _ d gg 上式即离心泵理论扬程公式，从公式中可以看出，离心泵扬程与叶轮牵连速度、 出1 ：3 面积和出口角等之间的关系。 2 2 离心泵内部的不稳定流动特性 离心泵是由旋转的叶轮和静止的蜗壳、进水管等组成，由于离心泵内部结 构的复杂、叶轮的高速旋转、动静部件的相互干涉，决定了离心泵内部流动必 定是十分复杂的、具有粘性影响的、不稳定的三维非定常湍流流动。离心泵内 部流场的流动状态决定了叶轮对流体能量传递的大小和离心泵效率的高低，对 离心泵运行性能具有重要的作用。研究表明，离心泵运行时，在其内部存在着 许多不稳定的流动特性，如叶轮进口处的回流、叶轮流道内的二次流和流动分 离、叶轮出口的尾流射流结构以及诱导振动和噪声等【6 2 1 ，这些不稳定的流动特 性都将影响离心泵的运行性能，下面逐一进行简单的介绍： 2 2 1回流 9 2 带分流叶片离心泵的相关理论 离心泵在小流量工况区域运行时，叶轮进口处和出口处易出现回流现象， 如图2 2 所示。回流是造成流道内不稳定流动的主要原因，由于回流是靠流体撞 击来获得能量，因此会带来很大的能量损失，另外回流还会导致流量和压力波 动，诱发振动和噪声，影响离心泵的使用寿命。 进 ! 、1 舸蔷扳fi ： n v l ： 由： l 弋：岔 0 黟黟甲臻鬻释紫零节1 隧盘舀i 耋矗池：纽蠢函杰毖i 流i 激蕊：孟盏擅 图2 2 离心泵进口回流和出口回流示意图 旋转的叶片对流体的作用力不均匀是造成叶轮进口回流的主要原因，由于 离心力的作用，使得进水管外缘处的流体与进水管靠近转轴处的流体之间形成 压差，且外缘处的流体压力要比转轴处的流体压力高，因此导致流体从叶轮进 口外缘回流到进水管中【6 2 侧。另外，由于惯性力的作用，叶轮使得其进口处流 体的圆周速度增加，管壁附近的流体能量也大大增加，使得流体流动所需的能 量梯度不复成在，这也是叶轮进口附近出现回流的原因m 】。 叶轮出口回流实际上是由叶轮出口处不均匀流动与蜗壳中湍流流动共同作 用造成的。叶轮出口处不均匀流动是指叶轮出口处流体流动相对速度沿圆周方 向存在着较大的速度梯度，一部分流体以很大的相对速度流入蜗壳，一部分流 体以较小的相对速度流入蜗壳，还有一些流体甚至以负的相对速度流入蜗壳。 由此造成了一部分流体的绝对速度要高于蜗壳中流体的流动速度，所以这部分 流体会以较高的动能撞击蜗壳中的流体，使得蜗壳中的流体也获得一部分额外 的动能，而另一些流体的流动速度要低于这部分流体的流动速度，因此被重新 压回到叶轮当中，这样就形成了叶轮出口回流。 1 0 2带分流1 1 一i 片离心泵的相关理论 2 2 2 边界层分离与二次流 由于离心泵等流体机械过流部件的扰流和粘性作用，在紧靠过流部件的表 面会形成一层很薄的边界层，并在其后缘形成尾流区，如图2 3 所示。导致边界 层分离的主要因素是边界层内的动量损失和逆压梯度【6 2 1 。在叶片对流体做功不 均匀时，由于受到逆压梯度的影响，叶轮流道内的流体就容易发生边界层分离 现象，甚至在流道中还形成分离漩涡。离心泵流道内出现边界层分离现象，将 会导致流道内水力损失增大，泵的效率下降，有可能还会引起诱导振动和噪声 出现。因此在离心泵设计过程中，应该在一定工况范围内避免发生严重的边界 层分离现象。 血 图2 3 离心泵过流部件的边界层分离 由于叶轮的高速旋转和叶轮流道的弯曲扩散，流体在进入叶轮区域后，通 常会受到离心力和科氏力的双重作用，不可避免地出现二次流现象。二次流通 常是垂直于主流方向的各种漩涡结构，因而使得流道内的流动具有三维性和有 旋性。 对于叶轮流道中二次流的形成，可以用下列公式来定性分析【6 5 】： 芸c 争砉( 1 。a 功p , r - + 詈擎 娩 o so 甜d bwo z 式中，q 为相对流线的旋转分量；p t 为滞止压力；等、半是p ，对次法线和 一n 门n 旋转轴方向的偏导数；是旋转角速度；w 为相对速度。 上式表明，在流线方向产生漩涡的主要因素有两个：半径为r 。的流线曲率 和旋转角速度国，这也说明了在流线方向产生二次流的原因有3 个：叶片的弯 曲、轴向到径向的拐弯、叶轮的旋转。 由于叶轮流道内的二次流影响，高能流体微团在叶片压力面和后盖板附近 2 带分流1 1 + i 片离心泵的相关理论 聚集，使得流动速度加快，从而减少了叶片压力面边界层分离的可能；而低能 流体微团则顺着前后盖板进入到叶片吸力面附近的边界层内，这样导致吸力面 附近的流动速度降低，边界层增厚，加剧了叶片吸力面边界层分离的倾向【6 6 1 。 2 2 3 尾流一射流结构 如上节所述，由于二次流的影响，叶片压力面附近的流动速度加快，而叶 片吸力面附近的流体流动速度降低，这样就形成了如图2 4 所示的尾流一射流结 构，叶片压力面附近是流速较高的近似无粘性的射流区，而叶片吸力面附近是 流速较低的尾流斟6 5 1 。叶轮流道内的二次流发展、边界层增厚、流动的分离效 应等相互作用、相互促进是尾流形成的主要原因【6 2 1 。 图2 4 离心泵叶轮内的尾流射流结构 变i i c 动 射漉 普通离心泵叶轮中都存在尾流射流结构，尾流射流结构的出现从根本上 说，是由于叶轮流道中的流体受到叶片加功作用的不均匀造成的，叶片压力面 附近流体受到叶片的加功作用较强，而叶片吸力面附近流体受到叶片的加功作 用较弱，在逆向压力梯度的作用下，叶片吸力面附近流体在叶轮出口处出现边 界层分离，产生回流和脱流现象，从而形成尾流区，通常离心泵流量越小，尾 流射流结构越明显。叶轮内的流动损失大部分集中在尾流区，尾流区越大，尾 流和射流之间的速度梯度越大，叶轮与蜗壳流道内的流动损失就越大，泵的效 率就越低，因此在叶轮设计过程中，应尽量避免严重的尾流一射流结构出现。 2 3 带分流叶片离心泵的基本原理 由上节内容可知，由于普通离心泵在运行过程中，尤其是小流量工况下， 1 2 2 带分流叶片离心泵的相关理论 容易出现进口及出口回流、边界层分离及二次流、尾流射流结构等不稳定流动 特性，为此国内外学者进行了大量研究，提出了许多措施，如减小叶片数、减 小叶片出口角、增大叶片包角、减小叶片进口角及出口宽度等，但都无法从根 本上提高离心泵的性能，获得稳定的性能曲线，而且部分措施甚至还会降低离 心泵的效率和增大气蚀的可能性。到目前为止，已有研究表明，添加分流叶片 设计法是改善离心泵内部不稳定流动特性、提高离心泵工作稳定性及性能最有 效的方法之一。 图2 5 为普通离心泵叶轮及带分流叶片离心泵叶轮流道内液流速度分布情 况，从图中可以看出，带分流叶片离心泵叶轮出口处的尾流一射流结构明显改善， 流动状态接近理想流动。 普通叶轮带分流叶片叶轮 图2 5 普通叶轮及带分流叶片叶轮流道内液流速度分布情况 添加分流叶片能改善叶轮流道内流动状况的主要原因是：添加分流叶片后， 使得靠近长叶片出口处吸力面附近的流体受到叶片加功作用增加，因此有效地 阻止了边界层分离和脱流的产生，大大改善了尾流射流结构。添加分流叶片设 计法同时解决了欧拉方程给离心泵设计带来的矛盾，由于添加了分流叶片，叶 轮出口处的总叶片数增加，就可以采用较大的叶片出口角，而进口处叶片数没 变，因此带分流叶片叶轮既提高了离心泵扬程又避免了叶轮进口处出现排挤和 流动扩散现象，同时还可以减小叶轮直径，这样在保证设计扬程不变的情况下， 提高了离心泵的效率。 1 3 2 带分流叶片离心泵的相关理论 2 4 数值模拟基本理论 2 4 1 控制方程 离心泵的叶轮是以恒定的角速度0 9 旋转地，如果选择与叶轮同速旋转的非 惯性坐标系来描述流体的相对运动时，一般可以认为叶轮流道内流体的相对运 动是定常运动，而离心泵输送的流体是三维粘性不可压缩的，所以其连续方程 和运动方程可以用以下向量形式来表示： 连续方程 6 7 1 ： v ( p w ) = 0 ( 2 1 3 ) 运动方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 【2 】： 1 d ( p f w ) = w v ( p w ) = 一跏+ p + z v 2 w - p e 2 c o x w + o g x ( 国r ) ( 2 1 4 ) 式中，f 为质量力；为粘性系数；- 2 0 9 x w 为科氏力；- - o g x ( o g x r ) 为离心力5 r 为半径。 如果用惯性坐标系 ，y ，z ) 来表示，那么上述两个方程则可写成： 连续方程【6 8 】： 丝嘘+ 旦型+ 塑：o ( 2 1 5 ) 苏 砂 c g z 运动方程【6 7 】： 蚝掣掣帆掣伽( 嗽刊耐r 掣 = 一孚+ 以+ 1 t v 2 虬 蚝掣+ 掣心掣伽( c o , u , - o g , u , 卜2 r 掣 ：一字+ p f , + p v 2 “， o y 以掣+ b 掣托掣伽( 训