（流体机械及工程专业论文）叶顶间隙对低比转速半开式离心泵性能的影响.pdf

摘要 泵盖板与叶轮之间的间隙层泄漏是造成低比转速半开式叶轮离心泵性能低的主要原 因，因此开展不同叶项间隙对低比转速半开式叶轮离心泵性能影响的研究具有重要的意 义，研究结果为流体机械的高效率、低能耗设计提供重要的理论依据和技术支持。本文以 一台低比转速半开式后弯叶轮离心泵为研究对象分析不同叶顶间隙对离心泵性能的影响， 包括对四种叶项间隙下的离心泵整机数值模拟、性能预测以及外特性试验。主要内容如下： ( 1 ) 借助p r o e 软件对诱导轮、半开式后弯叶轮和蜗壳进行三维建模，利用n u m e c a 软件中的i g g a u t o g r i d 模块生成叶顶间隙旷0 6 m m 、1 2 r a m 、1 s m m 和2 4 m m 下的整机 网格； ( 2 ) 针对圆弧型叶片形式的半开式叶轮离心泵，在四种叶项间隙下开展泵内全流场 计算，分析不同叶顶间隙对离心泵内部流场及性能的影响规律，分析设计工况下泵内流道 内的能量损失，回流、二次流等非稳定流动因素的发生位置和形状； ( 3 ) 对不同叶顶间隙的半开式圆弧型叶轮离心泵进行外特性试验研究，分析不同间 隙对低比转速半开式离心泵的外特性影响，并和数值模拟预测的性能结果进行对比分析， 验证本文数值模拟方法的可行性及结果的准确性。 关键字：离心泵；低比转速；半开式叶轮；叶顶间隙：数值模拟 a b s t r a c t t h ec l e a r a n c el a y e rl e a k a g eb e t w e e nt h ep u m pc o v e ra n dt h ei m p e l l e ri st h em a i nr e a s o n t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h el o w s p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pw i t ht h es e m i o p e ni m p e l l e ri s l o w e rt h a nt h a to ft h ec o m m o nc e n t r i f u g a l p u m p s oi th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt i pc l e a r a n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fl o w - s p e c i f i cs p e e d c e n t r i f u g a lp u m p s i nt h i sp a p e ral o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m po fs e m i o p e ni m p e l l e r w i t hb a c k w a r db l a d e si ss t u d i e dt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt i pc l e a r a n c eo nt h e p e r f o r m a n c ea l t e r a t i o no fc e n t r i f u g a lp u m p s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o na n d e x p e r i m e n to fr h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c ea r ec a r r i e do u to nt h ec e n t r i f u g a lp u m pu n d e rf o u r d i f f e r e n tt i pc l e m a n c e s t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h et h r e e _ d i m e n s i o n a lm o d e l so ft h ei n d u c e r , s e m i o p e ni m p e l l e rw i t hb a c k w a r db l a d e a n dv o l u t ea r ec o m p l e t e db yu s i n gp r o es o f t w a r e t h em o d u l ew h i c hi si g g a u t o g r i di nt h e s o f t w a r eo fn u m e c ai su s e dt og e n e r a t et h e 鲥d so fw h o l e c o m p u t a t i o n a ld o m a i na td i f f e r e n t t i pc l e a r a n c e sw h i c ha r e0 6 m m ，1 2 m m ，1 8 m ma n d2 4 m m ( 2 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ri n n e rf l o wf i e l do ft h el o w - s p e c i f i c s p e e dc e n t r i f u g a l p u m pw i t hs e m i 。o p e ni m p e l l e ro fb a c k w a r d - b l a d eu n d e rf o u rv a l u e so ft i pc l e a r a n c ei sd o n e w i t h i na l lt h ef l o wr a n g e t h ee f f e c t so ni n n e rf l o wf i e l do f c e n t r i f u g a lp u m pa n dp e r f o r m a n c e u n d e rd i f f e r e n tt i pc l e a r a n c ea r ea n a l y s e d t h el o s so fe n e r g yi nt h ef l o w p a s s a g ea td e s i g np o i n t ， t h el o c a t i o na n dt h es h a p eo ft h eb a c k f l o w , s e c o n d a r yf l o wa n do t h e ru n s t a b l ef l o wf a c t o r sa r e d i s c u s s e d ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c 。p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n to fs e m i - o p e n c e n t r i f u g a lp u m pw i t h b a c k w a r d - b l a d eu n d e rf o u rv a l u e so ft i pc l e a r a n c ei sc a r r i e d o u t t h ee f f e c t so nt h e c h a r a c t e r i s t i c p e r f o r m a n c e o fl o w - s p e c i f i c s p e e d c e n t r i f u g a lp u m pu n d e rd i f f e r e n tt i p c l e a r a n c e si sd i s c u s s e d b yc o m p a r i n gt h et e s t sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h ev i a b i l i t yo ft h e s i m u l a t i o nm e t h o da n dt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l ta r ep r o v e d k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ；l o w - s p e c i f i c - s p e e d ；s e m i o p e ni m p e l l e r ；t i p c l e a r a n c e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 半开式叶轮离心泵又名部分流泵或切线泵，具有流量小、扬程高、比转速低、构造简 单等特点。与普通闭式叶轮离心泵相比，其扬程一流量特性曲线近乎平坦，即扬程在整 个工作范围内几乎是一条直线，解决了普通离心泵在小流量下扬程过高的问题。开式叶轮 离心泵作为输送火箭燃料、化工高压流体等介质的特种设备，以其整体结构小、运行时间 长、制造简单、维护方便、流量一扬程曲线平坦等诸多优点，越来越受到航空、石油化工、 消防等重要场合的青睐，另外，由于开式叶轮离心泵内部流道容易清洗、能输送包含固体 颗粒等杂质的液体，在多相流介质输送领域亦得到普遍应用，成为关键设备。但开式叶轮 离心泵较普通离心泵结构上的不同心1 ，也给自身带来了效率低、噪音大等缺点，据不完全 统计，输送同等能量的流体，开式叶轮离心泵消耗的能量比普通离心泵多5 左右，这在 能源紧缺、噪音污染严重的社会环境下以及国家积极倡导节约资源、保护环境的氛围中格 格不入，因此提高开式叶轮离心泵的效率和运行稳定性具有极其重要的现实意义。 在离心式叶轮机械中，虽然叶顶间隙层区域同整个流道相比很小，但却能对叶片流道 将近2 0 区域的流动产生影响【3 】。开式叶轮离心泵叶轮内部流场结构、介质传输、工作稳 定性、汽蚀性能、负载能力及损失受叶顶间隙层内泄漏流的影响十分明显【4 】。叶顶间隙的 不合理装配，均可造成泵性能的较低、有效工作范围缩小及工作噪音的增大。有实验研究 表吲5 1 ，随着叶顶问隙的增大，低比转速高速半开式叶轮离心泵的有效工作范围缩小，扬 程效率均下降明显，但驼峰现象有较大的改善。因此，弄清半开式叶轮离心泵叶顶间隙对 间隙层内流动规律以及间隙泄漏流动对整个叶轮流道流动的影响，选择合理的叶顶间隙 值，对改进半开式叶轮离心泵的设计、提高泵性能有着重大的意义。 本课题以一台低比转速半开式后弯叶轮离心泵为研究对象，在四种不同叶顶间隙下对 离心泵性能进行研究，包括离心泵整机数值模拟、性能预测以及外特性试验。本研究将为 流体机械的高效率、低能耗设计提供重要的理论依据和技术支撑。在研究过程中总结出的 最佳叶顶间隙范围的应用推广，有利于提高开式叶轮高速离心泵的工作性能、节约运行成 本，具有巨大的经济效益和社会应用价值。 本课题来源于国家自然科学基金项目( n o 5 0 9 7 6 1 0 5 ) ：不同叶片形状的开式叶轮离心 泵内部流动特性研究。 1 浙江理一t = 大学硕士学位论文 1 2 开式叶轮离心泵研究现状 国外针对丌式叶轮离心泵的研究工作起步较早，在2 0 世纪中后期，以巴斯克博士为 代表的研究人员通过借助外特性试验以及高速摄影等研究方法进行了一系列的理论基础 研究和结构设计方法研究。高速部分流泵比较完整的收集了国外对开式叶轮离心泵的 试验研究成果以及部分相关的基础理论研究【1 1 ，以下是本文从该论文集中选取的部分内容 用以论述国外对开式离心泵的研究情况。 由于开式离心泵叶轮无前后盖板，如图1 1 所示，这决定了它具有有别于普通离心泵 的性能特点。开式叶轮离心泵的主要优势为它能够满足在流量小但扬程高的工作环境中稳 定工作。若采用比转速大的普通离心泵，采用仅能满足设计工况要求的电机功率，一旦流 量变大或者管道部件出现问题，就会造成泵用电动机过载，而开式叶轮离心泵则不存在上 述问题。 图1 1 开式叶轮离心泵结构图 图1 2 开式叶轮离心泵扬程一流量特性曲线 开式叶轮离心泵的特性曲线如图1 2 所示。从图中可以看出，曲线上存在一个最大有 效工作流量点，当流量超过此点时，离心泵扬程值急剧减小。a n d e r s o n 有关面积比原理 中认为，离心泵蜗壳喉部面积大小与泵的最大有效工作流量有密切的关联。因此，在离心 泵孝b 同的叶轮进出口直径以及转速下，改变离心泵蜗壳喉部面积方法即可加大泵的最大有 效工作流量。在理论情况下，离心泵工作流量不超过其最大有效工作流量点时，泵扬程保 持不变。但在实际情况中，由于蜗壳无法百分之百的回收所有介质的动能，以及叶轮内流 体于叶轮本身存在在相对运动，再加上叶轮与蜗壳之间的不均匀流动、反向涡流以及叶轮 出口回流、紊流等原因，所以实际的最大工作流量变小。 理论情况下，在关死点，开式叶轮离心泵扬程与理论扬程之比为0 7 ，而闭式叶轮离 心泵之比为o 5 7 ，即在相同的离心泵叶轮直径及转速下，开式叶轮离心泵可以达到普通离 心泵大约1 3 倍高的扬程，而且在小于最大工作流量内，实际扬程随流量变化几乎没有， 上述情况在普通离心泵中式不可能出现的。 2 浙江理工大学硕士学位论文 在相同的工况参数下，开式叶轮离心泵叶轮外径与其扬程系数成反比，关系式为： d ：6 0 胆 翮v 妒 另外，开式叶轮离心泵圆盘摩擦损失计算公式为： h p d = k n 3 d 5 l - ( 2 ) 从上式可知，圆盘摩擦损失( h 耐) 与叶轮外径的五次方成正比，与比转速的三次方成正 比，而圆盘摩擦损失的大小直接影响离心泵效率的高低。因此减少叶轮外径对提高泵效率 有非常大的影响。 上述研究内容充分说明当初国外科研人员对开式叶轮离心泵的流动研究已非常全面 深入，并已成熟掌握开式离心泵相关的生产设计技术，目前国外针对开式叶轮离心泵的研 究报道已经很少了。 随着近年来国内工业的蓬勃发展，对开式叶轮离心泵的市场需求迅速攀升，开式叶轮 离心泵除了用作航空领域的燃料泵外6 ，化工行业、消防领域、建筑、制药等领域也大 量地从国外引进了众多开式叶轮离心泵【8 1 3 1 ，然而国内对开式叶轮离心泵的研究还是相对 很少，还未能形成系统化、成熟化的技术理论知识。 李海峰等【1 4 1 采用n s 控制方程和k 一占湍流模型，对半开式离心泵叶轮内三维紊流进 行了数值模拟，重点分析叶轮内各个断面上的压力及相对速度分情况，研究结果表明，从 叶轮根部至泵盖板的各断面上，压力梯度增大，且吸力面上的压力梯度比压力面上的递增 平缓，压力面上的压力梯度比较不规则；从叶轮进口到出口，相对速度值逐渐递增，吸力 面附近的相对速度比压力面区域大，另外，从叶轮根部至泵盖板的各个断面的速度梯度逐 渐增加，同时作者还研究了叶片前缘区域的介质相对速度分布情况。 陈茂庆等针对新研制的半开式叶轮离心泵，进行了半开式叶轮与闭式叶轮离心泵 在水力性能方面的试验对比、叶片后盖板与泵承磨板间隙的试验，同时给出了半开式叶轮 离心泵的水力设计计算公式，其准确性得到试验验证，并对泄漏损失和水力损失进行了探 讨。研究得出如下结论：( 1 ) 半开式叶轮离心泵的流量、扬程、效率及轴功率均比闭式叶 轮离心泵的低，叶片后盖板和承磨板之间的间隙对性能影响较大；( 2 ) 半开式叶轮离心泵 的泄漏损失随着叶片后盖板和承磨板之间的间隙增大而增加，且对间隙的微小变化亦比较 敏感；( 3 ) 半开式叶轮离心泵的水力摩擦损失随着叶轮出口角的增大而增加，在同等叶轮 出口直径和转速下以及大流量情况下，水力摩擦损失随着流量的增大而较少。 浙江理工大学硕士学位论文 孙德明等 1 6 1 针对切线泵在小流量下进行了研究，发现其效率随着流量的增大而增加， 提出了加大流量设计的方法，其基本原理是：用放大后的设计流量和比转速设计切线泵， 使其在小流量情况下工作，达到提高泵效率的效果，并用一系列泵验证了该设计方法的可 行性。 陈党民等【1 7 1 9 1 利用s t a r - c d 软件对一台设计参数：q = 2 1 6 m a h ，h - - 5 0 m ，n = 2 9 7 0 r m i n 的开式叶轮离心泵进行全流场非定常数值模拟，重点分析了叶轮、蜗壳内部流场，认为开 式叶轮离心泵的内部流场具有较强的非定常特性，在同一时间，开式叶轮的流场结构差别 明显，同时通过对模型泵蜗壳壁面静压的测量，进一步验证了整机非定常计算模拟开式叶 轮离心泵内部流场的准确性，同时发现非定常计算只能模拟在设计点工况附近的开式叶轮 离心泵内部流场变化趋势，并不能准确捕捉到泵内复杂的流动现象，认为以定常计算得出 的结果不适宜作为优化基准。研究还发现，蜗壳瞬时效率的变化是造成开式叶轮离心泵瞬 时效率变化的原因。 徐力群【2 0 】通过对开式叶轮离心泵内部流动的分析，并在试验结果的基础上，假定蜗 壳喉部湍流的最大速度与叶轮出口圆周速度一致时，开式离心泵达到最高效率点，在此基 础上推算出能够精确计算开式叶轮离心泵在最高效率点的流量系数和扬程系数的方法，同 时作者还用试验验证了该方法的准确性，其误差值小于0 6 刘在伦等【2 l 】采用k 一占湍流模型模拟长直叶片叶轮和短直复合叶轮在同一开式离心 泵上的内部流场，并分别预测其外特性。经过比较得出结论：复合叶轮开式离心泵的流量 扬程曲线更加平坦，效率也有提高。 崔宝玲等【2 2 1 借助f l u e n t 软件，采用n s 控制方程和k 一占湍流模型，对一台带有诱导 轮的开式叶轮离心泵的内部流场进行了数值模拟，通过从相对速度和静压两方面分析诱导 轮、叶轮和蜗壳内部流动情况，认为开式叶轮流道内的流动不均匀、二次流是开式叶轮离 心泵效率低的主要原因之一，蜗壳进口周向充满非常强烈的不均匀流动，同时作者将试验 研究所得外特性曲线与数值模拟预测的外特性进行了比较，验证了计算机仿真的准确性。 朱祖超等【2 3 】对开式叶轮高速离心泵做了比较系统的试验研究，主要分析开式泵转速、 叶轮结构以及蜗壳喉部面积等因素对泵性能的影响。研究发现：开式叶轮离心泵的最佳效 率点随着转速的提高向大流量方向移动；当开式离心泵叶轮由全开式转换成半开式时，泵 效率有所提高，但其扬程系数降低；喉部面积对泵最大工作流量( q m 舣) 的影响非常大， 并从试验结果中得出两者的近似关系表达式：q 蜊( o 6 4 0 7 0 ) f 2 9 日。 综上，国外对丌式叶轮离心泵的研究主要以性能试验为主的理论研究，深入的分析开 4 浙江理工大学硕+ 学位论文 式叶轮离心泵主要结构参数对泵的性能影响，并给出了开式叶轮离心泵的设计方法，但由 于研究工作较早，受限于当时流体机械内部流动研究方法的匮乏，国外对开式叶轮离心泵 内部流场的分析研究很少。而日前国内针对开始叶轮离心泵的真正深入研究还很少，基本 以性能试验和对引进设备改进为主，其理论研究还是停留在国外七十年代的基础上，在利 用计算机仿真技术、p i v 测试技术等现代流体动力学研究方法对离心泵内部流场进行研究 的文献还非常之少。因此还尚存在许多亟须解决的问题，如泵的几何参数及流动参数与扬 程流量特性曲线之间的关系，开式离心泵复杂的内部流动情况，以及泵的效率偏低、性 能曲线易出现驼峰等问题。 1 3 叶轮机械叶顶间隙研究现状 叶顶间隙是影响流体机械( 如水轮机、水泵等) 性能的最为常见的因素，而在开式叶 轮高速离心泵的研发过程中显得尤为突出。其主要原因是开式离心泵叶轮的进出口宽度 小，叶顶间隙与泵叶片平均宽度的比值比一般叶轮机械大得多，因此叶顶间隙层的泄漏对 开式离心泵叶轮内部流场的影响往往比对其他叶轮机械的更加严重。因此，叶顶间隙对开 式叶轮高速离心泵影响的形成机理和作用过程历来受到科研人员和泵设计者的广泛重视。 国内外学者针对叶顶间隙对叶轮机械的影响己展开大量研究，但是仍然缺少有效的理 论预测方法。迄今为止，学术界提出了很多关于叶顶间隙影响的理论，归纳起来主要有一 下三种：( 1 ) 叶轮流道存在压力梯度导致形成二次流；( 2 ) 叶片压力面与吸力面两侧存在 压差，导致介质翻过叶顶间隙形成叶项间隙流；( 3 ) 圆盘摩擦效应1 2 4 1 。通过大量前期研 究可知，二次回流及流体泄漏是影响离心泵性能的主要原因。 在实验研究方面，目前主要有以下方法：h o t w i r e 测试技术，l d v 技术，p i v 数字 成像技术掣2 5 1 。如文献【2 6 】借助h o t w i r e 技术，测试轴流式压缩机的间隙层内流场分布 情况，分析流场内瞬时速度以及叶片壁面压力在设计工况点和非设计工况点下的变化，认 为压缩泵间隙层的泄漏速度受叶片升力系数的影响较大。h e s s e l g r e a v e s t 2 7 】根据公开的资 料，提出了预测混流或轴流涡轮机械效率下降的关系，他认为叶顶间隙的增大会产生两个 截然不同的效果，由于在叶片上压力分布的改变，机械工作输出量将会减小，以及由于叶 片顶端泄漏流的动能损失导致效率减小。p l u t e c k i 和w a j d a 2 8 】在同一个流道内对四种不同 叶片结构的叶轮进行了试验，其轴向间隙范围为0 5 2 m m ，从而探究轴向间隙对扬程、 效率和气蚀能力的影响。w o o de ta 1 【2 9 i 对离心泵叶轮进行了试验，观察不同结构的叶轮对 水力性能的影响，并得出结论：在所有被测试的半开式叶轮中，效率最大点发生在叶顶间 浙江理工大学硕士学位论文 隙最小的叶轮。e n g e d a 和r a u t e n b e r g 等【3 0 】对五种不同离心泵叶轮进行了试验，揭示了 由于叶项间隙变化所引起的性能下降。同时他们认为转速与叶顶间隙所引起的性能变化不 存在直接的关系。h o w a r d 和h i n m e r 【3 1 】测量了闭式和开式叶流道内的速度分量，他们得 出结论，在入口处的单一涡流至前盖板和后盖板各产生一个涡流的过程中存在二次流现 象。i s h i d a 和s e n 0 0 1 3 2 1 利用三种不同结构的离心泵叶轮在7 个不同叶顶间隙的情况下测试 了沿着前盖板处的压力分布，发现在相对速度基本保持不变的区域，因叶项间隙变化所引 起的压力损失相对较小。同时他们强调该损失与因相对速度的减小所引起的压力增加是成 正比的。在另一项研究中，他们推算出了预测叶顶间隙对离心风机和轴流风机叶轮性能影 响的公式，并将预测结果与实验结果进行了比较，两者比较吻合【3 孤。e n g i n 和g u r 冽对 一台输送高温气体的离心式风机在四种不同结构的叶轮进行不同叶顶间隙下的试验研究， 研究发现叶顶间隙的增大对采用闭式叶轮的离心式风机的性能影响微乎其微，并揭示了不 同叶项间隙下造成半开式叶轮风机性能下降的因素，另外还发现输送的高温气体的温度并 未因间隙泄漏而下降。 在国内对丌式叶轮高速离心泵进行系统、深入的试验研究的报道却较少，而涉及叶顶 间隙的试验研究就更少。文献1 3 4 j 通过对高速部分流泵不同轴向间隙下的性能试验，认为 轴向间隙万在1 0 m m - 2 4 m m 范围内变动，扬程下降范围不超过2 6 ，效率波动在0 5 以内，同时较大的轴向间隙对降低噪音及振动具有一定的帮助。朱祖超【3 5 】【3 6 1 针对同一台 半开式离心泵，在不同叶片数( 2 4 片、1 6 片、8 片和4 片) 的半开式叶轮和八叶片的全 开式叶轮，及叶顶间隙g - 1 1 m m 、2 5 m m 和4 m m 情况下分别进行了外特性试验。研究结 果发现，离心泵在最小叶项间隙时其扬程和效率最高，同时还发现，随着叶顶间隙的增大， 离心泵流量扬程曲线驼峰现象有所改善，但泵的最大工作流量范围减小。 杨建【3 7 】对某一微型丌式叶轮高速离心泵进行了试验研究和改进，提出了轴向间隙对 小流量低比转速开式泵的性能参数影响较大。黄建德1 3 8 】借助毕托管和可视化研究方法对 开式和闭式叶轮在不同叶顶间隙下的离心泵进行了内流场研究，详细阐述了间隙泄漏与进 口回流的分布情况以及相互影响，并认为开式叶轮叶轮叶顶间隙越大，其进口处回流的初 始流量亦越大。陈茂庆【3 9 j 对两种结构的半开式叶轮离心泵进行了外特性试验，认为叶顶 间隙层的泄漏对离心泵性能影响极大，间隙值从1 5 m m 减小至0 2 5 m m 时，其效率能提 高8 1 0 。操松林、丁强民等人1 4 0 j 通过试验方法研究叶顶间隙对半开式叶轮离心泵及轴 流泵的性能影响，考虑到泵性能及生产、装配精度，认为离心泵合理间隙为0 3 q 3 6 m m ， 轴流泵间隙为大于0 2 r a m 为宜。 6 浙江理工大学硕士学位论文 在利用c f d 技术分析不同叶顶间隙内叶轮机械内部流动方面，六十年代r a i n s 4 1 】提 出了不可压势流理论用以研究压气机叶顶间隙内的流动。叶项问隙被简化为一尖角喷嘴， 忽略了间隙内的混合过程，采用b e r n o u l l i 方程计算间隙内的流动。八十年代以来，开始 通过求解考虑粘性的r a n s 方程来研究间隙流动。k m l z 【4 2 】采用t 一占模型，对轴流式压缩 机的叶轮内部流场进行了数值模拟。八十年代后期，叶轮机械内部三维粘性流动的数值研 究在国内有了广泛的发展。贾希诚、3 三i l - n t 4 3 舶】对轴流式压气机内部流场进行了数值模拟， 研究间隙层内泄漏流和通道内二次流的相互影响，并捕捉到间隙层内的分离流。研究结果 表明：( 1 ) 叶顶间隙层内存在泄漏流和分离涡，并沿着气体介质流动方向不断变化；( 2 ) 适当的叶顶l 日j 隙下，泄漏涡的发展可以抑制与其运动方向相反的通道二次涡的发展。杨昌 明等【4 5 】采用n s 控制方程和k 一占湍流模型，对不同间隙下的轴流泵内部流场进行了计算 机仿真，认为随着叶顶间隙的增大，轴流泵扬程逐渐下降，且在小流量工况点尤为明显。 李巍【4 6 l 等通过研究发现在叶片压力面和吸力面之间存在泄漏涡并且有转移现象，随着叶 顶间隙的减小，泄漏涡产生过程有所延迟，且泄漏强度也急剧降低。李强、楚武利等人【4 7 】 针对半开式叶轮也作了不同叶顶间隙下的数值模拟，从静压、总压以及不同叶高截面的相 对速度矢量分布等方面详细分析了离心泵内部流动特性，研究结果认为：随着叶项间隙的 增大，导致间隙层泄漏流的相对速度变小，对主流方向产生的冲击造成的损失减小，因此 随着间隙的增大，效率下降幅度减小。张剑慈等【4 8 】采用多块网格技术、雷诺平均n s 方 程和应用s a 湍流模型，对开式直叶高速离心泵叶轮内部流场进行了数值模拟，观察到 叶片进口存在液流冲击、流道中流动不均匀以及二次流现象，并总结出叶轮与泵体及泵盖 之间的轴向间隙增加会使泵的扬程和效率下降。 综上述分析可知，国内外学者对叶顶间隙的研究主要集中在轴流机械和离心式压气机 等方面，对开式叶轮离心泵叶顶间隙的研究主要集中在上世纪七十年代，且研究相对较少， 而对间隙内部流动的细节研究更少。至今存在许多尚待解决的问题，例如对叶轮内部间隙 泄漏以及泄漏流动的机理还不够明确，缺乏对间隙区域流动细节的分析研究，缺少间隙同 泵性能之间关系的详细分析，至今叶项间隙值的选取还未有统一遵循的原则，都是由设计 者人为确定。不过科研人员在对低比转速开式叶轮离心泵叶顶间隙的研究过程也获得了一 些普遍适用的规律，比如开式泵叶顶间隙越大，间隙层内泄漏流动越严重，对通道内部流 场的影响越大：随着叶顶间隙的增大，开式泵扬程和效率都会减少。 7 浙江理下大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 综上所述，叶顶问隙对叶轮机械内部流场的影响是国内外学者比较关注的课题。由于 叶轮机械内部流道内液体流动非常复杂，人们对间隙层内的泄漏流动以及泄漏涡的机理还 不够明确，研究的方法及方案等许多方面还有待进一步完善。尤其在半开式叶轮离心泵叶 顶间隙流场研究方面，缺乏对叶顶间隙区域流动细节的分析研究，对于叶顶间隙取值没有 给出参考，缺少叶顶间隙同泵性能之间关系的详细分析。基于以上情况，本文主要研究工 作如下： ( 1 ) 利用p r o e 软件对四种叶顶间隙( g = 0 6 m m 、1 2 r a m 、1 8 m m 和2 4 m m ) 的几 何模型进行三维建模，借助n u m e c a 软件对上述四种模型的过流部件进行网格划分，为 后续的数值计算做准备； ( 2 ) 研究离心泵叶片表面的静压分布，分析叶轮流道及叶项间隙层内的静压和相对 速度情况，以及叶顶间隙层内泄漏流动对叶轮流道的影响，并预测外特性性能曲线； ( 3 ) 针对数值模拟中的模型，进行试验研究，获得外特性曲线，分析叶项间隙对离 心泵外特性性能的影响，并验证数值模拟的准确性。 8 浙江理工大学硕十学位论文 第二章低比转速半开式离心泵的数值计算 在开式叶轮离心泵内，叶轮和诱导轮以相同的转速绕轴旋转，蜗壳与离心泵泵盖是静 止不动的。用c f d 方法模拟离心泵内部流场根据计算域的不同，分为全流道数值模拟和 单流道数值模拟。全流道数值模拟计算域包括离心泵所有过流部件的流动区域，包括诱导 轮、叶轮、蜗壳三部分。单流道数值模拟是基于叶轮内部各个流道内的流场分布不受蜗壳 等结构的影响具有完全相同情况的假设上，其计算域为叶轮流道的1 nm 为叶轮叶片数) 。 因此，在网格密度一样的情况下，单流道计算域网格数是全流道的1 n ，从计算速度考虑， 单流道数值模拟所需时间更少。但是，由于未考虑蜗壳等结构的影响，单流道数值模拟结 果并不能完全反映离心泵叶轮内部流动情况，全流道数值模拟精度较单流道的高。 本文考虑到蜗壳的不对称性会对叶轮流道产生影响，以及为了尽可能准确的反映叶顶 间隙变化对离心泵内部流场的影响，因此，本文采用网格数多、计算量大的全流道数值模 拟。 本章首先介绍了所研究的离心泵的结构及主要几何参数，确定合理的间隙方案以及对 后续数值计算的预处理，包括对不同叶顶间隙的半开式离心泵几何模型进行三维建模和整 机进行网格划分，选择适当的计算方法并设定了边界条件。 2 1 模型泵 用于本文研究的离心泵属于低比转速半开式叶轮离心泵，其比转速为1 6 3 ，在设计工 况下，流量为3 m 3 h ，转速为2 9 0 0 r m i n ，扬程为5 0 m 。该泵叶轮为半开式，包含八片后 弯式叶轮( 如图2 1 ) ，诱导轮由两片等螺距叶片组成( 如图2 2 ) ，表2 1 为该模型泵主要 几何参数。其中，b 。、b ：、d 。、d ：、屈、反分别为叶轮进出口宽度、直径及安装角，z 是叶片数；d t 为诱导轮进口直径，p l 为叶尖包角，p 2 为叶片前缘包角，三为叶片轴向长 度，s 为导程，乙为叶片数；) 3 、b 3 和彳为蜗壳的基圆直径、宽度及喉部面积。 9 浙江理工大学硕士学位论文 图2 1 开式叶轮图2 2 诱导轮 表2 1 离心泵的主要几何参数 2 2 间隙方案选择 本文通过改变半开式叶轮离心泵泵盖与叶轮的位置来实现叶顶间隙值的变化，如图 2 3 。研究表明【2 3 j ，开式叶轮离心泵最大叶项间隙不得超过3 m m ，本文模型泵设计时其最 大叶顶间隙为2 5 m m ，因此本文研究的最大叶顶间隙为2 4 m m ，同时考虑到模型泵零件 加工及装配精度的限制，为了避免离心泵叶轮在过小的叶顶间隙下工作时出现扫膛现象， 效率降低，造成试验结果的不准确，本文取最小间隙值为0 6 r a m ，并在叶顶间隙的最小 值和最大值范围内平均取两个间隙值，即1 2 m m 和1 8 m m 。因此，本文在建模时将会生 成叶顶间隙分别为0 6 m m 、1 2 m m 、1 8 m m 和2 4 r a m 的几何模型。 1 0 2 3 数值模拟计算方法 2 3 1 研究方案 图2 3 叶顶间隙示意图 数值模拟工具采用高度集成化的商用软件n u m e c a 软件，该软件专门用于叶轮机械 内部流动的模拟分析，具有网格划分方便、计算速度快、精度高等优点。本文数值模拟参 照图2 4 逐步完成。 - 静 勘 山 前处理c f d 渍场计算 后处理 ( 几何掘述、网格生成)( 控制方程、差分方程、啪软件)( 流动图像、流动数据) 图2 4 计算机数值模拟的原理流程图 ( 1 ) 前处理准备：包括对试验泵过流部件即诱导轮、叶轮和蜗壳进行三维建模，选 j 翼 浙江理工大学硕士学位论文 定所要模拟的计算域并对计算域进行网格划分； ( 2 ) 流场计算：包括选择控制方程、湍流模型，给定离心泵进口的计算初值以及网 格壁面的边界条件，并在计算机上进行计算； ( 3 ) 后处理：将计算所得的近似解，如离心泵内部流场的静压、总压、相对速度、 绝对速度等数据以图片的形式展现出来，形成静压等值线图、静压云图，相对速度矢量图、 相对速度等值线图、相对速度流线图等。 2 3 2 计算方法 离心泵内的流体流动是非常复杂的三维粘性流动，为方便求解本文作如下基本假设： 流体为不可压；流体在流场中流动为绝热、无损耗；叶轮进口流体流动均匀。在如上的假 设前提下采用三维定常雷诺时均n a v i e r s t o k e s 控制方程【4 9 】，以及在涡轮机械数值计算中 广泛应用的s p a l a r t a m a r a s 方程湍流模型，其方程如下： 在直角坐标系下的三维可压非定常n s 方程组的守恒积分形式为： j 0 i | f i q d v + 妒o v n d s = 。 2 _ ( - ) 式中，q = ( p ，p u ，p v ，p w ，伊) r 为守恒向量，p ，( “，v ，w ) 和e 分别为密度、直角坐标系下的 速度分量和单位质量气体的总能量；a 矿为某一固定区域矿的边界；刀为边界的外法向量； 矢通量，可分解为对流矢通量c 和粘性矢通量c 两部分，即 f = 一只 2 - ( 2 ) 只与只的表达式分别为 p u i + j j r p w k ( 2 + p ) i + 胛j + p v w k f o = lp u v i + ( 2 + p ) j + p v w k p u w i + m w j + ( p w 2 + p ) k ( p u e + u p ) i + ( p v e + v p ) j + ( p w e + w p ) k 1 2 2 - ( 3 ) 浙江理工大学硕士学位论文 上式中 粘性应力项分别为 = o f 。i + f 栅j + f 。k r y z i + r 盯j + r i i z k r = i + t 攀j + r 。k 1 7 ，i + 仃，+ 1 1 。k 1 7 x = “f 盯+ v r 叫+ w f 船一g j 1 7 y 。u t 乒+ v f + w f 弦一g y = z ，r 荔- i - v f 秒+ w f 搿一g ： 铲2 膨，一争( u x - i - v y - t - w z ) 铲2 倒y 一争( u x - i - v y + 叱) f 。：2 l u ：一要( “，+ 1 ，+ w ：) j f 叫= f f = ( z f _ ，+ ，j ) f 材= f 荔= ( “：+ 比) r 弦= f 秒= l ( v z + w j ，) 2 ( 4 ) 2 ( 5 ) 2 ( 6 ) 上述方程组是不封闭的，需增加模拟湍流特性的模型方程，s a 湍流模型描述如下 【5 0 ，5 1 】 号 + 巧嘉= c h l ( 1 _ f ，2 ) f 2 v + m k a e , o 一 g 。c 。一z ：，工：+ z ：，二一c 纠兀) c 吾，2 一 等争；箬+ 鲁吾丢卜c ，峨内爿 2 加) 上式中，d 为到物体表面的最近距离， 其中 z 2 = c r 3e x p ( - c t 4 2 2 ) 厶吲黯- t - ) ： g 。 【，二3= c 管，弓 2 - ( 8 ) 2 ( 9 ) 浙江理工大学硕士学位论文 式中 其中 则 g = ，+ c w 2 ( ，6 - r ) 1 ， 虹叭孟 盖弦勿2 2 ( 1 0 ) 2 ( 1 1 ) 2 ( 1 2 ) 厶卅一南 2 1 3 1 ， 在公式( 2 - 8 ) 至( 2 1 3 ) 中，系数值为 一 c b l = 0 1 3 5 5 ，仃= ，c b 2 = 0 6 2 2 ，k = 0 4 1 ， j c 。3 = 2 0 ，c ，l = 7 1 ，c t 3 = 1 2 ，c 4 = 0 5 c 。：- 0 3 ，c 。：粤+ 坠型。 k o 求解时采用时间推进法计算流场中的各流动参数，离散格式采用中心差分格式。为了 提高计算效率，采用多重网格法、当地时间步长和残差光顺等加速收敛措施。 2 4 过流部件三维建模及网格划分 2 4 1 三维建横 本文采用p r o e 软件分别对诱导轮、叶轮、蜗壳进行三维建模。为方便后续n u m e c a 软件进行网格划分，对叶轮和诱导轮建模时设置h u b 线和s h r o u d 线。其诱导轮、叶轮及 蜗壳三维模型如图2 5 所示，图2 6 为过流部件装配图，为清楚显示叶片结构，对盖板进 行半剖处理。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 2 4 2 网格划分 a ) 诱导轮b ) 叶轮 b ) 蜗壳 图2 5 过流部件模型图 图2 6 过流部件装配图 半开式叶轮离心泵的c f d 计算中，其内部流场较强的三维性对数值模拟提出了较高 的要求，数值模拟最终结果的精度、准确性和可靠性都与网格的质量有着直接的关系，因 此网格的生成至关重要。本文采用n u m e c a 软件中网格生成模块i g g 帆u t o 僦d 生成 1 5 滑擅ji f 一 浙江理工大学硕士学位论文 诱导轮、叶轮和蜗壳的全六面体网格。 i g g a u t o g r i d 模块为设计者提供了快速的网格生成方法，所生成的网格都采用多重 网格技术，该技术的使用大大加速收敛速度。判断网格质量的好坏主要从以下三方面衡量： ( 1 ) 网格尺度的膨胀比( e x p a n s i o nr a t i o ) ( 2 ) 网格的长宽比( a s p e c tr a t i o ) ( 3 ) 正交性( o r t h o g o n a l i t yr a t i o ) ( 4 ) 网格节点数( n u m b e r ) 网格尺度的膨胀 = k ( e x p a n s i o nr a t i o ) 指的是相邻网格体积比，其比值不得超过1 0 0 。 在c f d 计算：f ，为了尽可能地捕获边界层中的流动细节，必须对边界层等区域进行网格 加密，导致这些区域的网格显得尤为细长，即较大的长宽比，其值一定要小于5 0 0 0 ，在 实际使用中尽可能保证长宽比小。网格正交。 生( o r t h o g o n a l i t yr a t i o ) 指网格面上各条边之间 的最小夹角，各边之间的夹角越大，网格正交性约好，其值不得小于5 。网格节点的数 量会直接影响叶轮机械内部流动细节现象的捕捉和计算的精度，即网格节点数越多，则流 场内流体流动细节能被更为有效的捕捉到，但计算时间会相应的增加。 本文对诱导轮计算域网格划分过程中，四种叶顶间隙的b b 流面均采用h i h 网格和 相同的节点数，其b b 流面网格见图2 7 ；叶轮计算域中的b b 流面同样采用h i h 网格， 其b b 流面网格见图2 8 ，由于叶顶间隙变化，导致间隙层计算域体积增大，为保证较大 叶顶间隙值计算精度同较小叶顶间隙值的保持一致，随着叶顶间隙增大，叶顶间隙层网格 层数依次增加，其值分别为1 3 、1 7 、2 1 和2 5 。上述计算域网格都在a u t o g r i d 模块中划 分。蜗壳计算域网格在i g g 模块中参照三维模型手动生成，由于蜗壳固壁的轴向截面呈 圆弧形，对网格正交性极为不利。因此本文采用蝶形网格技术，并在蜗壳附近网格节点数 加密，保证蜗壳计算域能获得较好的网格质量。同时，为最大的程度的保证计算精度，上 述计算域的网格节点采用完全匹配方式，并且在诸如进出口、固壁面附近等位置对网格进 行加密，最后在i g g 中将诱导轮、叶轮和蜗壳网格连接起来，构成整个计算域的网格。 图2 9 为叶轮、诱导轮和蜗壳的网格图，图2 1 0 为整个计算域的网格图。 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 图2 7 诱导轮b - b 拓扑结构 图2 8 叶轮b - b 拓扑结构 b ) p t 轮 c ) 蜗壳 图2 9 过流部件网格图 图2 1 0 计算域整机网格 1 7 浙江理1 二大学硕士学位论文 表2 2 2 5 为三个过流部件在四种叶顶间隙下的网格划分质量表，从表中可以看出， 所有网格质量都达到了数值计算的要求。 表2 2 叶顶间隙为0 6 m 下的网格质量 表2 5 叶顶间隙为2 4 m m 下的网格质量 2 5 边界条件设置 在边界条件设置上，计算区域的进i z l 为均匀连续的速度边界条件，在设计流量点，其 值为0 6 6 3 m s ；在蜗壳出口给定平均压力，设计点流量下其值为4 9 0 0 0 0 p a ；诱导轮、叶 轮和蜗壳等固壁边界均为无滑移、绝热壁面边界条件；固壁的区域采用壁面函数。诱导轮 出口与叶轮进v 1 采用完全非匹配连接，叶轮出口和蜗壳进1 2 1 的交接面设定为完全非匹配固 定转子交界面( f u l