（流体机械及工程专业论文）斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来淡水资源的紧缺，建立了越来越多的海水淡化系统，斜流泵因其本身 特点在此系统中得到了广泛的应用。但是斜流泵在小流量运行时其性能曲线会出 现正斜率，在正斜率段运行，泵的振动、噪声都会增加，严重者可能导致系统的 共振。目前斜流泵正斜率性能曲线得到了广泛的关注，本文对正斜率性能曲线进 行了研究，研究工作如下： ( 1 ) 对研究用泵的正斜率性能曲线的原因进行了分析，叶轮出口有效直径 的降低和叶轮进口预旋的出现从而使扬程下降；随着流量的继续下降斜流泵叶轮 内部流态转变为离心式及有效外径的增大从而引起扬程上升，扬程骤降和随后的 小幅上升共同组成了正斜率性能曲线。 ( 2 ) 研究斜流泵正斜率性能曲线产生原因过程中分析了轮缘泄漏，叶片工 作面和背面压力差造成轮缘泄漏，在泄漏液流的影响下，轮缘间隙会产生泄漏涡。 间隙的泄漏在叶轮出口与叶轮液流相互作用，在叶轮出口靠近轮缘处形成旋涡， 由于旋涡的阻塞作用导致叶轮有效外径的降低。 ( 3 ) 对轮缘间隙为0 和无导叶时的斜流泵模型进行了数值分析，将其结果 与模型完整时的结果进行了对比，验证了本文结论的正确性。 ( 4 ) 对导叶的研究发现，小流量下导叶进口靠近轮毂处会发生旋转失速， 失速区的产生导致一部分液流回流到叶轮，在叶轮出口轮毂出现旋涡，由于旋涡 的阻塞作用使斜流泵叶轮的流态发生了变化。 ( 5 ) 对导叶区发生的旋转失速进行了研究，在小流量下导叶流道内靠近导 叶叶片凸面存在着回流，同时由于导叶叶片凸面和凹面的压力差导致了在导叶进 口出现了由导叶叶片凸面向凹面的回流，在两者的共同作用下在导叶进口靠近轮 毂处出现了失速区。失速区沿圆周方向传播，其方向与叶轮旋转方向相反，传播 速度约为叶轮转速的2 0 。 ( 6 ) 对斜流泵正斜率性能曲线的抑制提出了三种方法，并对斜流泵正斜率 性能曲线的抑制进行了探讨。前两种方法未能有效的抑制正斜率性能曲线，在泵 i 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 体上设置适当的凹槽可以较好的抑制模型泵的正斜率性能曲线。 关键词：正斜率性能曲线，有效直径，预旋，旋转失速，抑制 江苏大学硕士学位论文 t h em i x e df l o wp u m pw i t hv a n e dd i f f u s e ri sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e db e c a u s e m a n ys e aw a t e rd i s p o s a lp l a n t sb u i l tt os o l v et h ep r o b l e mo ff l e s hw a t e rs h o r t a g e b u t ap r o b l e mi st h a tw h e nt h ep u m pw o r k i n ga tp a r t - l o a dc o n d i t i o n si t sp e r f o r m a n c e c u r v ea p p e a r sp o s i t i v es l o p ea n dt h ev i b r a t i o na n dn o i s ec a l lb e c o m es e r i o u se v e n c a u s et h er e s o n a n c eo ft h ep u m ps y s t e m s o ，t h ep e r f o r m a n c ec u r v ei n s t a b i l i t y , c h a r a c t e r i z e db yp o s i t i v es l o p eo fh e a d c u r v e ，g o tm u c ha t t e n t i o no ft h er e s e a r c h e s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ec u r v ei n s t a b i l i t yo ft h em i x e df l o wp u m pa n dt h e m a i nr e s u l t sa sf o l l o w s ： j ( 1 ) t h er e a s o n so ft h ep o s i t i v es l o p eo ft h ep e r f o r m a n c ec u r v ew e r es t u d i e d i t f o u n dt h a tt h ee f f e c t i v ed i a m e t e ro ft h ei m p e l l e ro u t l e ta n dt h ep r e s w i r lo ft h e i m p e l l e ri n l e ta tp a r t i a ll o a da r et h er e a s o n so ft h ed r a m a t i c a l l yo ft h et h e o r e t i ch e a d h o w e v e rw h e nt h ef l o wr a t e sd e c r e a s ef u r t h e rt h ef l o wp a u e mo ft h em i x e df l o w p u m ps h i f t st o t h ec e n t r i f u g a la n dt h e nt h et h e o r e t i ch e a di n c r e a s eal i t t l e ，s ot h e p o s i t i v es l o p eo ft h ep e r f o r m a n c ea p p e a r s ( 2 ) t h el e a k a g eo ft h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ei m p e l l e ra n dc a s i n gw a sr e s e a r c h e d w h e nt h ep e r f o r m a n c ec u r v ei n s t a b i l i t ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a s o no f t h el e a k a g ei st h ep r e s s u r eg r a d i e n to ft h ep r e s s u r es u r f a c ea n ds u c t i o ns u r f a c ea n dt i p v o r t e xa p p e a r s ( 3 ) t h em o d e lw i t h o u tt i pc l e a r a n c ea n dv a n ew e r es i m u l a t e d t h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h em o d e ls i m u l a t e db e f o r et og e tt h ef i g h tc o n c l u s i o n ( 4 ) i tw a sf o u n dt h a tr o t a t i n gs t a l lh a p p e n e da tt h eh u bo ft h ev a n n e di n l e ta t p a r t i a ll o a d ，a n ds o m eo ft h ef l u i d sb a c kt ot h ei m p e l l e rf r o mt h ev a n e as w i r l g e n e r a t e da tt h eh u bo ft h ei m p e l l e ro u t l e ta n du n d e ri t si n f l u e n c et h ef l o wp a t t e r no f t h ei m p e l l e rs h i f tt oc e n t r i f u g a l ，s oi tm a y b es a y st h es t a l li st h er e a s o no ft h ep o s i t i v e s l o p eo ft h ep u m pp e r f o r m a n c e ( 5 ) r e v e r s ef l o wa p p e a rn e a rt h es u c t i o no ft h ev a n ed i f f u s e ra tp a r t i a ll o a da n d a tt h es a m et i m es o m ef l o wr e g i o n si n c l i n et o w a r dt h ep r e s s u r es u r f a c ea tt h ev a n e i n l e tb e c a u s eo ft h ep r e s s u r eg r a d i e n to ft h ep sa n ds so ft h ev a n e dd i f f u s e r ，t h e ns t a l l i i i 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 c o r eg e n e r a t e da tt h ei n f l u e n c eo ft h et w of a c t o r sm e n t i o n e da b o v e i ts u g g e s t e dt h a t t h es t a l lc o r ep r o p a g a t e da l o n gt h ec i r c u m f e r e n c ea n t it h ei m p e l l e rr o t a t i n gd i r e c t i o n a n di t ss p e e di sa b o u t2 0 o ft h ei m p e l l e rr o t a t i n gs p e e d t h er e a s o no ft h es t a l l p r o p a g a t i o n i st h ea s y m m e t r yp r e s s u r eo ft h ev a n ei n l e t ( 6 ) t h r e em e t h o d sw e r es u g g e s t e do nt h es u p p r e s s i o no fp o s i t i v es l o p eo ft h e p e r f o r m a n c ec x l l v e t h ef i r s tt w om e t h o d sd i dn o ts u p p r e s s i o nt h ep o s i t i v es l o p e b u t ，w h e np r o p e rd i m e n s i o na n dl o c a t i o no ft h es h a l l o wg r o o v eo nt h ec a s i n gw a l l c h o s ec a nt o t a l l ys u p p r e s st h ep o s i t i v es l o p ea n dt h i sm e t h o dg a l ln o td e c r e a s et h e e f f i c i e n c yo ft h ep u m p k e yw o r d s ：p o s i t i v es l o p eo ft h ep e r f o r m a n c e ，e f f e c t i v ed i a m e t e r ，p r e - s w i r l i n g ， i v r o t a t i n gs t a l l ，s u p p r e s s i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 斜流泵又称为导叶式混流泵，具有外径小、占地面积少、易于启动及效率高 等优点，是一种介于离心泵与轴流泵之间的水泵。相比较而言轴流泵虽然也有体 积小、结构简单、占地面积少等特点，但是其在小流量区性能不稳定、随着流量 减小轴功率急剧增加，高效率范围窄，不能在扬程变化范围大的场所使用；而离 心泵不适合在较低扬程下使用。斜流泵是介于两者之间的水泵，是一种具有离心 泵和轴流泵优点、补偿两者缺点的水力机械，虽然比转速传统使用范围是2 9 0 5 9 0 ，但是目前使用范围正在向离心泵和轴流泵领域拓展。通过合理的设计以及 对叶轮叶片进行调节，可以实现斜流泵大范围的高效稳定运行。由于斜流泵具有 的这些优点使其在工农业给排水、海水脱盐系统特别是火力发电和核电站的循环 水系统中应用广泛。据日本透平机械协会统计，在2 0 0 3 - 2 0 0 6 年间为全球的火 电站和核电站提供的1 4 3 台水泵中，斜流泵有1 3 4 台【1 1 。 然而在斜流泵的应用中，当运行于小流量下时性能曲线会出现不稳定，其主 要表现形式为流量一扬程曲线出现正斜率( 又叫马鞍形性能曲线) 1 2 1 。特别是应 用于海水淡化系统中的斜流泵，从经济的角度出发，要求其关死点扬程与设计扬 程之间的比值要小，但是相对应的在这种情况下泵的流量一扬程曲线在小流量段 更加容易出现正斜率。当正斜率性能曲线出现时泵的流量、压力都会变得不稳定， 同时振动、噪声都会增加，严重者会引起整个系统的共振【3 】，因此限制了斜流泵 运行范围。另外，当泵运行在正斜率性能曲线范围时会出现低频的压力传播，低 频的压力会造成严重危害，因此对正斜率性能曲线的研究具有重要意义。正斜率 性能曲线出现时泵的流动结构也会发生变化，在轮缘处存在泄漏，一部分泄漏液 体会冲击到叶片进口轮缘处，导致叶片背面荷载的增加，长期运行于此情况下可 能会导致泵使用寿命的下降【3 1 。 本文的研究主要是找出正斜率性能曲线出现的机理，分析出正斜率性能曲线 出现时斜流泵叶轮和导叶内的流动及压力情况，根据研究发现的机理及泵内部流 动的不稳定情况找出合理的方法来抑制正斜率性能曲线的出现，同时根据国内外 研究的最新进展说明了旋转失速与斜流泵正斜率之间的关系。本文既从实际的工 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 程应用出发，使斜流泵在应用中可以运行于更广的范围，也为有关斜流泵内部旋 转失速的进一步研究提供了一定的科研参考，具有重要的意义。 1 2 国内外叶片泵正斜率性能曲线研究现状 正斜率性能曲线也叫不稳定性性能曲线，其原因是泵内液流流动不稳定性。 h e r g t 和s t a r k e r 3 】认为带导叶的泵不稳定性主要分为两种，第一种称为f l i ( f u l l h a di n s t a b i l i t y ) ；第二种称为p l w ( p a r tl o a di n s t a b i l i t y ) 。h e 曙和s t a r k e r 认为 前者的原因是导叶区的旋转失速造成的，而后者则是由于泵的理论扬程骤降造成 的( 作者指出在斜流泵中流量一扬程曲线骤降的主要原因是叶轮进口回流) 。但 是近年来随着对叶片泵正斜率性能曲线关注度的逐渐上升，研究发现这种分法过 于简单，在大多数斜流泵或者带导叶的泵中往往导叶旋转失速发生的同时，叶轮 进口也存在回流。目前国内很少研究关注叶片泵的正斜率性能曲线，国外此方面 的研究则在逐渐增多，但是国外大多数研究主要为离心泵的正斜率性能曲线，关 于斜流泵的相对来说较少，因此本文将离心泵的研究也做简单介绍，作为研究斜 流泵正斜率性能曲线的参考。 1 2 1 离心泵正斜率性能曲线研究现状 关于正斜率性能曲线发生的流量范围，不同的研究其结果有所不同，但主要 是在相对流量为0 5 5 q b e p 0 7 5 ：q b e p 之间。国外离心泵的研究人员发现离心泵正 斜率性能曲线的出现是因为旋转失速。y o s h i d a 5 l 等人应用试验的方法对带导叶的 离心泵进行研究，发现带导叶的离心泵出现正斜率性能曲线时候，泵内分发生了 旋转失速。发生在叶轮的失速区的传播速度低于叶轮转速的1 0 ，并且失速区传 播方向与叶轮转向相反。研究中对不同尺寸的导叶进行了正交试验，发现当叶轮 与导叶间隙增大，性能曲线发生正斜率的流量范围会下降。s a n o l 6 等人应用数值 分析和试验相结合的方法对带导叶的离心泵进行研究时发现当流量一扬程曲线 出现正斜率时，离心泵内部流动变得极为不稳定，同时导叶内出现失速。s i n h a 7 1 等人运用试验的方法对比转速，l 。- - 9 5 带导叶的离心泵进行了研究，研究中利用压 电式压力传感器( p c b1 0 5 8 2 ) 来测量导叶流道的压力，压力传感器的安装位置 如图1 1 所示，图中点a - - f 为压力传感器的安装位置示意图。发现当流量一扬 程曲线在流量系数等于o 0 6 附近出现正斜率，此时叶轮内部出现了旋转失速。 2 江苏大学硕士学位论文 在正斜率段泵内部压力和流动都变得极为不稳定，在径向导叶流道中会交替出现 回流和射流( 如图1 2 所示) ，这种现象是离心泵性能曲线出现正斜率时的典型 现象。作者认为其原因是导叶流道相应出现的高压和低压所造成的导叶出口压力 的不均匀性，这项研究结果与o g a t a 8 】的研究结果一致。作者通过分析压力传感 器得到的压力发现在正斜率段发生的旋转失速会沿圆周方向进行传播，且传播速 度会发生变化，其原因是流动不均匀( 或者压力分布不均) 。w a n gh o n g 9 】等人利 用试验和数值模拟相结合的方法对带导叶的离心泵进行研究时，发现研究用泵的 性能曲线出现了两个正斜率段，分别为0 4 q b e p q 一 0 6q b e p 和q 1 2 2 2 5 时候采用层流( 线性准 则) ，因此网格不必过密，因为固壁函数在粘性底层不起作用。 因此根据以上要求，本文对模型网格进行了优化，研究发现当将叶轮和泵体 之间的径向间隙网格细化，上述出现的两个现象都会消失，图2 6 为网格改进后 数值计算残差图。因为开式叶轮与泵体之间的间隙很小，其会与叶轮相互干涉， 在小流量时有较大的圆周速度，与泵体之间相互作用会产生较大的损失，另外加 之在非设计工况下叶轮叶片的工作面f 又叫压力面p s ) 和背面( 又叫吸力面s s ) 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 存在较大的压力梯度，液流在压力作用下会从工作面通过轮缘间隙流向背面，此 部分泄漏液体对课题的研究有重要的意义，因此本文将此部分划分了很细的网 格，并且将其与叶轮交接的面划分的网格尺寸和叶轮网格尺寸一致，避免两个面 在使用i n t e r f a c e 处理时网格发生畸变而影响研究结果。依据上述分析保证模型网 格数目定在7 2 0 ，1 7 2 以上的前提下，将固壁区附近网格和叶轮与泵体径向间隙网 格加密( 如图2 7 所示) ，考虑到叶轮与泵体之间设置为交接面，为了避免网格 畸变和数据传输的错误，将叶轮与这部分间隙之间的那组交接面的网格尺寸划分 一致。表2 2 为最终实施方案，图2 8 为数值模拟结果和试验结果的比较。 表2 2 最终网格实施方案 t a b l e2 2f i n a lm e s h e so fm i x e df l o wp u m pp a r t s 1 4 计算区域网格数网格总数节点数 进口 5 5 9 5 8 轮缘间隙 8 6 7 0 2 叶轮 3 6 3 5 1 7 1 , 0 4 1 ，1 7 52 7 8 ，6 9 9 导叶 4 7 3 7 6 4 出口6 1 2 3 4 口l8 & 2 0 e3 n 建4 0 0 荐b 1 1 尊a 萝8 靠雾a 拿囊8 0 a | 图2 6 网格改进后残差波动 f i g 2 6r e s i d u a lv a l u e sa f t e rm e s ho p t i m u m 象 ； l ； 2 3 l 辱 巷 荤 蠡 # $ 霉 霉 # 蠡 牛 * i - _ e 嚣 蠹 毒 嚣 嚣 e e e l l l i l i l 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 优化前 ( b ) 优化后 ( a ) b e f o r em e s ho p t i m u m a f t e rm e s ho p t i m u m 图2 7 叶轮与泵体径向间隙优化前后网格比较 f i g 2 7c o m p a r i s o no fm e s ho f 邱c l e a r a n c e 一嫩瞧一数值蕊数扬程 一宴验效率一数擅橇投放率 暑 v 寒 o2 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 0 流量( m 3 j h ) 鬟 褂 较 图2 8 最终网格方案试验数据与数值模拟比较 f i g 2 8p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nc f da n de x p e r i m e n t 从图2 8 可以明显看出数值模拟结果和试验结果都出现了正斜率性能曲线， 而且两者扬程骤降段的流量范围基本吻合，最大误差为0 2 2 m ，属于正常的数值 计算误差范卧3 3 1 ，此时斜流泵的各个过流部件的流线没有发生断裂现象( 如图 2 9 所示) ，且靠近固壁面时，不会出现没有流线的现象。因此可以说采用的网格 数满足湍流计算的要求，结果较为准确，是较为科学的，研究结果能为斜流泵的 进一步研究提供参考。 1 5 协舌；们：；坶o o 9 8 7 6 5 4 s 2 1 o 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 1 6 图2 9 网格优化后模型进口、叶轮导叶轴面流线图 f i g 2 9s t r e a m l i n eo fm e r i d i a na f t e rm e s ho p t i m u m 江苏大学硕士学位论文 第三章斜流泵正斜率性能曲线机理研究 3 1 斜流泵数值模拟方法 3 1 1 控制方程组的离散 数值方法求解c f d 模型的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的 物理量的场，用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立 起这些离散点上变量值之间关系的代数方程，求解所建立起来的代数方程以获得 所求解变量的近似解。 有限体积法的区域离散实施过程是：把所计算的区域划分成多个互不重叠的 子区域，即计算网格，然后确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制 体积。区域离散后，得到节点、控制体积、界面、网格线四种几何要素。一维有 限体积法计算网格如图3 1 所示；二维有限体积法计算网格如图3 2 所示【粥6 1 。 露琵弦卜弋十 ， 一l e 匿羽 隧翻 图3 2 二维有限体积法计算网格 f i g 3 2t w o - d i m e n s i o nm e s ho f f i n i t ev o l u m e m e t h o d 有限体积法常用的离散格式有：中心差分格式、一阶迎风格式、混合格式、 指数格式、乘方格式、二阶迎风格式、q u i c k 格式。各种离散格式对一维、稳 态、无源项的对流扩散问题的通用控制方程式( 3 1 ) 均能得到式( 3 2 ) 的形式。 1 7 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 对于高阶情况如式( 3 3 ) 所示【3 7 ，3 8 】。 丛趔：旦k 丝1 ( 3 1 ) 出 出l 出 口p 矽p = a w 九+ a e 丸 ( 3 2 ) 口p p = a w 。+ 口，痧。+ 口e 九+ 口髓矽髓 ( 3 3 ) 式中，对于一阶情况， a p = a 。+ 口e + ( e l ) ，对于二阶情况， a p = a ，+ a + 口w + 口e e + ( e l ) ，其中系数a 。和a 取决于所使用的离散格式 ( 高阶还有口。和a 髓) 。各种离散格式下离散方程中系数的计算公式如表3 1 所示。 袁3 1 不同离散格式下离散方程中系数口和口。的计算公式 t a b l e3 1f o r m u l ao fa ea n da ，o fd i f f e r e n td i s c r e t es c h e m e 3 1 2 计算模型 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。根据对r e y n o l d s 应力作出的假定 或处理方式不同，目前常用的湍流模型有两大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。 涡粘模型包括：零方程模型，一方程模型与两方程模型。目前两方程模型在工程 中使用最为广泛，两方程模型又包含标准k - e 模型、k - 模型。在两方程涡粘性 湍流模型中，缸模型能够较好的模拟远离壁面充分发展的湍流流动，而缸甜模 型则能够更为广阔的应用于各种压力梯度下的边界层问题。本文在第二章网格无 关性检验中已经之处叶轮与泵体之间的微小的径向间隙对于课题的研究有着重 要作用，因此本文选用的是肛模型，其又可以分为两种。 1 8 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 标准k - 模型 其湍动能方程为： 耖) + 毒( 砌沪考“似o k ，) + g k _ t 湍流扩散方程为： 鲁( 删+ 毒( 删告亿纵a r o ，) + g 。- 匕蝇 ( b ) 剪切压力传输( s s t ) k - 甜模型 其湍动能方程为： 鲁( 川+ 毒( 加j f ) = 旦a x j ( r t 筹) + g t k + s t 湍流扩散方程为t 扣) + 毒( 删= 刍亿伽o r o ，) + g 。, - 匕+ d 。 标准七模型是基于w i l c o x 肛模型，他是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪 切流传播而修改的【3 9 1 。w i l c o x 肛模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混 合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自 由剪切流动。标准缸模型的一个变形是s s t k - r _ o 模型，s s t 缸国模型由m e n t e r 提出，以便使得在广泛的领域中可以独立于h 模型，使得在近壁自由流中缸 模型有广泛的应用范围和精度。为了达到此目的，h 模型变成了缸公式。通 过上述公式的比较发现s s tk - t o 模型和标准k - r a 模型相似，但有以下改进： ( a ) s s t 缸模型和加模型的变形增长与混合功能和双模型加在一起：混 合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准k - c o 模型有效，还有自由表面，这 对肛模型的变形有效。s s t 缸模型合并了来源于缸方程中的交叉扩散； ( b ) 湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传播； ( c ) 模型常量不同。 这些改进使得s s t 肛模型比标准缸模型在在广泛的流动领域中有更高的 精度和可信度。因此鉴于s s t 肛模型具有的优点本文将其选为湍流模型。 1 9 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 3 2 数值计算与试验外特性比较 ( a ) 斜流泵主要参数及造型 本课题研究对象为斜流泵，其试验最高效率点性能参数见表3 2 ： 袁3 2 斜流泵主要性能参数 t a b l e3 2m a i np a r a m e t e r so fm i x e df l o wp u m p 流量q ( m 3 h )扬程h ( m )转速n ( r p m ) 效率t l ( )n s 8 8 7 踟5 8 69 8 08 5 14 7 2 在第二章网格无关性检验中已经指出计算中我们将进口管路和出口管路进 行了简化，在数值模拟中斜流泵的主要过流部件为叶轮和空间导叶，叶轮的主要 尺寸如表3 3 所示，叶轮轴面图如图3 3 所示，空间导叶轴面尺寸如表3 4 所示， 图3 4 为导叶轴面图。斜流泵叶轮和空间导叶的木模截线图见附录一、附录二。 表3 3 斜流泵叶轮轴面尺寸 t a b l e3 3p a r a m e t e r so fi m p e l l e rm e r i d i a ns h a r p 参数 d j d 1 hd 2 hd 2 0d 2 数值( m m ) 3 0 21 2 82 3 03 6 42 9 7 图3 3 叶轮轴面图 f i g 3 3m e r i d i a ns h a r po fi m p e l l e r 江苏大学硕士学位论文 袁3 4 斜流泵空间导叶轴面尺寸 t a b l e3 4p a r a m e t e r s o f m e r i d i a ns h a r po fv a n e 参数 d i c d l bd hd 2 cd 2 b d 2 a 数值( m 肌) 2 6 63 5 74 2 61 3 02 6 33 5 0 一 、q f ?一 一旧：影a 譬lf 一 l 认义! _ _ 一时y 一 1 、o t , - - - = f 1c o 、o，、 c 、f - o -售 c q 一 口 - 一 o - tf n一 e号e 图3 4 导叶轴面图 f i g 3 4m e r i d i a ns h a r po fv a n e 将上述过流部件的二维水力模型图用三维造型软件p r o e 5 0 进行三维造型， 即可得到过流部件的三维模型图，绘制方法就采用点成线，线成面的造型方法进 行空间扭曲叶片的三维造型，即在相关的p r o e 三维扭曲叶片造型文件中采用读 入数据库点来进行三维造型，由点阵文件( p t s 格式文件) 生成曲线，曲线混合 成面生成曲面。在叶片造型的基础上，通过旋转得到轮毂，即可生成最终的形状， 如图3 5 所示。导叶的三维造型方法与叶轮相同，得到的三维实体如图3 6 所示。 由于数值模拟的研究对象是流体，因此要进行水体的三维造型。在p r o e5 0 中， 通过切割流道的方式，可得到流道的三维模型图f 4 1 】，进水管水体和出口管水体直 接通过管线轴面图的旋转得到，将其在p r o e 5 0 中装配，结果如图3 7 所示。 2 1 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 图3 5 叶轮三维实体造型 f i g 3 5m o d e l o fi m p e l l e ro fm i x e df l o wp u m p 、逶曩蘧貔 弋瀚黝溯 图3 6 导叶三维实体造型 f i g 3 6m o d e lo fv a n eo fm i x e df l o wp u m p 图3 7 斜流泵三维装配图 f i g 3 7a s s e m b l yo fm i x e df l o wp u m p ( b ) 数值计算结果与试验结果的比较 将上述得到的水体划分网格( 网格无关性检验2 2 2 节中已经提到，此处不 再介绍) 后在c f x 中进行计算，得到相关的数据，表3 5 和图3 8 为数值模拟结 果与试验数据的对比。在图3 。8 中为了得到斜流泵更加准确的性能曲线，在小流 量段增加了数值模拟的工况，同时将试验数据以离散点的形式与数值模拟数据加 江苏大学硕士学位论文 以比较。试验结果和数值模拟结果都得到了研究用泵的流量一扬程曲线出现了正 斜率。正斜率性能曲线主要有流量骤降段和随后的扬程小幅上升段两部分组成， 前者的流量范围为：0 6 5 q b e p 0 7 5 q b e p ，本文主要研究对象为正斜率性能曲线， 发生在小流量下，本文小流量下的数值计算结果和试验结果最大误差值是 0 1 8 m ，相对误差为2 5 6 。因此本研究的数值模拟结果与试验结果误差不大， 属于正常数值模拟误差范围，本研究结果是可信的，能为进一步研究提供参考。 袁3 5 斜流泵外特性数据比较 t a b l e3 5c o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c eo ft h ep u m p 秀 扬程h ( m )效率r i 查 试验数值模拟试验 数值模拟 0 0 0 ( m 3 h ) 8 7 9 9 0 2 o 0 0 0o 0 0 0 4 1 7 6 0 ( m 3 h ) 8 4 88 5 1 0 5 6 50 5 6 2 5 7 2 4 0 ( m 3 h ) 7 8 87 9 1o 7 2 00 7 0 5 6 6 7 4 0 o ，此时预旋为正预旋；图( b ) 是实际流量等于设计流量，1 = 0 无预 旋；图( c ) 为实际流量大于设计流量时，h 1 0 此时为负预旋。 图3 1 8 、3 1 9 分别为本文研究用泵在不同流量下的进水管三维流线图和速度 矢量图，可以看出在o 7 5 q b e p 流量下在靠近叶轮进口出现了明显的预旋，并且液 流偏转的方向与叶轮旋转方向一致，根据上文关于预旋定义来分析此时为正预 旋，这也与图3 1 7 分析的结果一致。另外，当对进水管的轴面流线图进行研究 时发现，在进水管靠近叶轮进口存在着明显的旋涡如图3 2 0 所示，旋涡的存在 表明在进水管出现了回流，回流的影响也会导致进口处流线的偏转。图3 2 1 为 进水管从进口到出口四个剖面在0 7 5 q b e p 流量下的压力分布图，可以看出随着剖 面距进口距离的变化其压力分布出现明显的差异，低压区出现在进水管壁面处， 江苏大学硕士学位论文 特别是从剖面到剖面可以看出低压区的数目由2 变成3 ，刚好是叶片数目。 这个变化说明进水管中的液流越靠近叶轮其受到叶轮的作用越明显。 卜 u 1 一一 u l ( a ) q q n e p 图3 1 9 进水管速度矢量图 f i g 3 1 9v e l o c i t yv e c t o ro fi n l e t 3 1 陇q 巧n d ， m b 一 a 汀 图 h 线 m 耙 m 维 k 三 眦管的 和 | | ； 如 眦 m 叫 州 王 陀 m 图n 盱 垮 l 1 吼 f 白 吣 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 眨冀 r 蠢藜 l 蒸 e 蓁 图3 2 0 进水管轴面流线 f i g 3 2 0s t r e a m l i n eo fm e r i d i a ns h a r po fi n l e t 图3 2 1 进水管不同剖面压力云图 f i g 3 2 1p r e s s u r ec o n t o u ro fd i f f e r e n ti n l e tp i p es e c t i o n 3 3 3 扬程骤降原因 在3 3 1 节中得出的扬程骤降的机理是鉴于泵进口无预旋的假设基础上，然 而通过本节的分析，可以明显的看出当流量减小时叶轮进口发生了预旋。结合 3 3 1 节的分析对扬程骤降的理论进行了补充。当叶轮进口有预旋的时候，泵的 理论扬程计算公式为： e = 型出 ( 3 3 ) g 式中日，泵理论扬程，m “，叶轮出口圆周速度，m s 3 2 爱 4 9 4 9 9 4 9 4 0 5 2 o 7 5 2 o 7 5 2 0 | | | 奢| 绷 蕃； 蓦| 謇 一 荨l 蛳 雠 吾l 嚣黪黪 耋；鹾隧驻隧隧匿鞋匿誓 p 江苏大学硕士学位论文 屹：叶轮出口绝对速度圆周速度分量，m s 吩叶轮进口圆周速度，m s 屹。叶轮进口绝对速度圆周速度分量，m s g 重力加速度，m s 2 通过上节的分析已经得出u ，的降低，比较公式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 可以看出预 旋发生时多减去了一项不为负的值，由公式( 3 3 ) 算出的理论扬程还要小于公 式( 3 2 ) 的结果，因此可以得出理论扬程在进口发生预旋时骤降。根据理论扬 程和理论流量的关系曲线可以得出实际扬程等于理论扬程减去泵内的水力损失 【5 0 5 1 1 ，因此如果设泵内的水力损失为h ，则： h = h 。一h ( 3 5 ) 式中：阡一为泵的实际扬程，m s 日。为泵理论扬程，m s 在叶片泵中构成水力损失h 的原因有很多，主要有水力摩擦损失、扩散损失和撞 击损失( 旋涡损失) 三部分组成： ( 1 ) 水力摩擦损失也 流体流经进水管、叶轮和导流壳( 如蜗壳、导叶) 等均需要克服水力摩擦阻 力，带来能量的损失，可以用下式来表示： h r ：五丢要：k 。q f 2 ( 3 - 6 ) 4 d2 9 一 式中： 为沿程阻力系数 z 为流段管线长度，m 卜为截面半径，m q f 为流量，m 3 s ( 2 ) 扩散损失吃 水流在叶轮流道内的损失，将其以h d 表示 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 ”f 丢瑙：q ? ( 3 - 7 ) 我们可以将( 3 _ _ 5 ) 、( 3 _ 6 ) 两式合并为： = 嚏+ - - k 3 0 9 ( 3 8 ) 通过式( 3 _ 7 ) 可以看出水力摩擦损失与系数k 和流量骈有关，系数k 与泵的 材料及其粗糙度有关，而研则和有无预旋及轮缘处存在的回流、旋涡无关，因 此水力摩擦损失和有无预旋是无关的。 ( 3 ) 撞击损失魄 当液流在泵内流动出现旋涡、脱流、预旋等时，两股不同速度的液流相混合 或者相互冲击为撞击损失。其计算公式为： 魄= k 。( q 。一q b e ，) 2 ( 3 9 ) 因此相比较于无预旋情况，有预旋时泵内水力损失多了由预旋导致的撞击损失。 结合以上分析可以得出当流量减小到0 7 5 q b e p 时候，预旋和叶轮出口有效外 径的减小共同导致理论扬程的骤降，结合泵理论扬程与实际扬程的关系进而得到 了实际扬程的骤降。 3 4 流量一扬程曲线上升机理 在本章第二节中分析了当流量减小到0 7 5 q b , 时流量一扬程曲线骤降的原 因和机理，但是从试验和数值模拟的结果中可以看出当流量继续下降到o 6 5 q b e p 时扬程不再随着流量的减小而减小，反而开始出现小幅的上升，是什么原因导致 了斜流泵不继续保持下降的趋势? 发现斜流泵在0 6 5 q b e p 流量下流态转变为离 心式对分析扬程得到小幅上升有着重要意义，为此我们继续研究了不同流量下斜 流泵内部流态的转变来分析扬程小幅上升的机理。 3 4 1 不同流量下斜流泵内部流态 斜流泵叶轮是介于离心式和轴流式之间的叶轮，这个特性决定其在不同的流 量下会趋于不同的流态，在大于设计流量时其流态趋于轴流式，在设计流量附近 运行时是斜流式，在小流量下运行时开始趋于离心式【5 2 - 5 4 。图3 2 2 为斜流泵叶 江苏大学硕士学位论文 轮在不同流量下的轴面流线图，在图中可以看出在随着流量的变化斜流泵叶轮内 的流态会发生明显的变化。1 2 q b e p 流量下，叶轮轴面流线在叶轮进口与轴线平 行流入到叶轮，叶轮出口流线与叶轮轮毂外表面只有微小的夹角，流态基本上和 轴流泵一致；随着流量的减小轴面流线在出口与轮毂面之间的夹角开始逐渐的增 大，呈现一定的夹角，在设计流量下斜流泵叶轮内的流态是斜流式，如图3 2 2 ( b ) 中所示；当流量降低到0 6 5 q b e p 时叶轮轴面流线从靠近进口的时候就开始 由轮毂向轮缘偏移，开始出现明显的径向移动，即其流态趋于离心形式，如图 3 2 2 ( c ) 所示。y a m a d e 利用大涡模拟对斜流泵不同流量下的出口速度分布进行 了研究，指出斜流泵随着流量从大到小的变化过程中，其流态会由轴流式( 实际 流量大于设计流量) 转变为斜流式( 设计流量点附近) ，随着流量的继续减小会 转变为离心式。本文对斜流泵进、出口绝对速度分离的分布进行了分析，结果与 文献1 2 1 、f 5 5 1 一致，为了避免重复本文不再给出，读者可以查阅以上两篇文献。 f n n 嚣隧霸霸礴臻 p0 v e r 崩, l y s 孽t m n e 翮 v e m o v 靳n - - r - 暖赣萌麓霹麓一 p0 ( b ) q b e r m i c - 1 】 疆一 ( c ) 0 6 5 q b e p 图3 2 2 不同流量下叶轮轴面流线 f i g 3 2 2s t r e a m l i n eo fi m p e l l e rm e r i d i a ns h a r pu n d e rd i f f e r e n tf l o wr a t e s 3 5 斜流泵正斜率性能曲线机理及抑制研究 3 4 2 扬程上升机理 图3 2 1 中叶轮在0 6 5 q b e p 时叶轮的轴面流线，可以看出在叶轮出口靠近轮 毂处存在一回流区域，由于回流区域的影响导致流线由轮毂偏移至轮缘，在上文 流量一扬程曲线骤降机理分析中提到在流量为0 7 5 0 b e p 时由于轮缘处发生流动 分离特别是在叶轮出口轮缘处存在旋涡，造成叶轮有效外径的减小，最终导致了 流量的骤降。当流量继续减小时扬程的上升是否与叶轮的有效直径有关呢? 为此 本文研究了在o 6 5 q b e p 时叶轮和轮毂的流线，如图3 2 3 所示( 从进口看叶轮顺 时针旋转) 。 图3 2 30 6 5 q b e p 流量下叶轮叶片、轮毂流线图 f i g 3 2 3s t r e a m l i n eo fs u c t i o ns u r