半螺旋吸入室隔舌形状对叶轮吸入性能的影响

张　涛，吴应德，马柏青，杨德旭

（1.兰州水泵总厂兰州理工大学泵工程技术中心，甘肃　兰州　730030；2.甘肃省流体机械（泵）节能工程实验室，甘肃　兰州　730030）



半螺旋吸入室隔舌形状对叶轮吸入性能的影响

张涛1，2，吴应德1，2，马柏青1，2，杨德旭1，2

（1.兰州水泵总厂兰州理工大学泵工程技术中心，甘肃兰州730030；2.甘肃省流体机械（泵）节能工程实验室，甘肃兰州730030）

摘要：为了研究半螺旋吸入室隔舌对叶轮进口介质流动的影响，基于计算流体动力学（CFD）技术，Reynolds时均化，湍流模型采用RNGk-ε模型，速度、压力耦合用SIMPLEC算法，对三种隔舌方案进行全流场数值模拟，得到叶轮进口处的速度场，并对其进行分析。将其中流动状态最好的一种方案进行真机性能试验，并与CFD计算结果进行对比验证。数值计算结果表明：半螺旋吸入室隔舌与叶轮进口边的距离影响叶轮的吸入性能；当该距离较远时叶轮进口处速度分布均匀，进口流动预旋较大，泵的扬程较低；当该距离较近时隔舌部位产生明显的漩涡，介质圆周速度周向分布波动大，预旋不明显，扬程相对较高；通过数值计算结果，为吸入室设计提供参考。

关键词：离心泵；半螺旋吸入室；隔舌

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.01.007

0　引言

离心泵吸入室主要分为半螺旋吸入室、直锥型吸入室以及环形吸入室，其中半螺旋吸入室的设计较另外两种复杂。国内外学者对半螺旋吸入室的设计做了大量的研究，穆界天[1]提出了通过设计两个旋转面和一个柱面的方法来光顺吸入室流道的半螺旋吸入室设计方法；文献[2]提出半螺旋吸入室截面高度系数以及断面与叶轮吸入眼的面积比范围；高章发[3]等通过统计29种优秀的水力模型从而提出了半螺旋吸入室关键截面的计算系数；刘厚林[4]等提出利用CAD技术通过开发软件而设计半螺旋吸入室的方法。除了这些设计方法还有通过CFD优化技术对已设计好的吸入室进行数值仿真计算优化的方法。但是，以上这些设计方法中都未讨论半螺旋吸入室中隔舌形状的设计方法，国内外关于半螺旋吸入室隔舌形状的研究也相对较少。

为了研究半螺旋吸入室隔舌形状对叶轮吸入性能的影响，从而降低离心泵汽蚀余量以及提高泵的效率，笔者将通过一个具体的设计实例及CFD技术进行研究并通过试验验证。

1　模型的建立

1.1设计参数及方案

以一个参数为Q=3 200 m3/h、H=39 m、n=1 492 r/min的单级双吸离心泵为研究对象，分别设计以下三种吸入室隔舌，由于隔舌形状的不同，所以分别修正吸入室轮廓，以保证三种方案相对应的过流面积完全相等。这三种隔舌形式为半螺旋吸入室中最常见的三种方案，如图1。隔舌分别与叶轮进口边的距离不同，方案1最远，方案3最近。

图1　三种隔舌方案

图2　三种隔舌方案三维模型

1.2计算域模型建立

图2为三种不同隔舌方案的三维模型，为了全面地反映隔舌的影响，对该泵进行全流场CFD计算，三个隔舌设计方案与同一个叶轮及压出室相配合计算，如图3所示。

2　网格划分及数值计算

2.1网格划分

对吸入室、叶轮、压出室进行网格划分，采用WORKBENCHD划分适应性较好的非结构网格，并进行网格无关性检查，最终得到的网格数如表1所示，为了更好地反映半螺旋吸入室隔舌部位的流动细节，对该部位网格进行加密。

表1　过流部件网格数

2.2数值计算

计算采用RNG k-ε湍流模型，速度压力耦合方式采用SIMPLEC算法，速度进口、自然出流、吸入室与叶轮及叶轮与压出室的耦合面采用interior进行耦合。

3　计算结果及分析

3.1叶轮进口处的流场

为了掌握吸入室流动对叶轮流场的影响，主要讨论吸入室出口也就是叶轮进口处的流场分布。

3.1.1压力分布

图4为设计工况下叶轮进口截面的压力云图。有图可以看出方案1和方案3压力分布不均匀，梯度明显，在同一半径处呈现周期变化，但是压力数值差值不大。而方案2则压力分布较均匀，梯度不是很明显。

图4　.不同方案叶轮进口截面处的压力分布

3.1.2速度分布

为了更清楚地分析叶轮的进口处的速度场，将介质在此处的空间速度分解为垂直于叶轮进口的轴面速度与在该平面绕轴心的圆周速度。图5、图6分别为圆周速度与轴面速度的矢量图，从图5中可以明显直观看到方案1叶轮进口处的介质四分之三区域圆周速度明显且速度梯度不大，与理论相吻合。由于隔舌与叶轮进口边之间的环形流道空间较其他两种方案轴向尺寸长，所以圆周速度较其他两种方案大且均匀。从方案1到方案3，随着隔舌与叶轮进口边的空间不断减小，隔舌对叶轮进口处介质流动的影响也在逐渐加强，由图5中可以看出方案2中隔舌部位形成了局部漩涡，方案3存在明显圆周速度的介质只占到该区域的二分之一，且速度梯度变化较其他两种方案剧烈。所以说方案1叶轮进口处的流体介质预旋明显，方案3预旋较轻，而方案2则相对适中。由图6可以看出轴面速度的分布方案2较其他两种方案均匀，而方案1与方案3则轴面速度分布不均匀，使得叶轮内叶片间吸入的流量不均匀，叶片所受到的负荷就不均匀，进而有可能诱发泵的振动等问题的出现。

图5　不同方案叶轮进口截面处的圆周速度分布

图6　不同方案叶轮进口截面处的轴面速度分布

3.2性能预测

对三种方案流量0.8Q至1.2Q进行性能计算，得到泵的扬程、效率随流量变化的图如图7及表2。由图表看出，在设计点，方案3的扬程最高，而方案1的扬程最低，这与上文中关于速度场的分析相吻合。由于叶轮进口处的预旋强度的不同，使得两种方案的扬程相差了1.1 m，而在泵的小流量工况下即0.8Q，扬程差更大，达到了1.7 m。由图还可看出在设计点，方案2的效率最高，高于方案3约1.4%，在泵的大流量1.2Q时，效率差更大，比方案1高2%。

表2　三总方案的设计点计算值

综上，虽然三种方案之间的扬程以及效率的差别不大，但是半螺旋吸入室常应用于双吸泵，而在大型双吸泵中，流量可以达到30 000 m3/h，功率可达6 000 kW，泵能提高的效率是相当可观的，对节能减排具有重要的意义。

4　试验验证

通过数值计算分析，选取效率最高的方案2进行样机制作，并真机性能试验，试验现场见图8，试验的结果曲线如图7。从试验结果看，设计点扬程的数值计算误差为2.6%，效率误差为1.2%，以上误差均在较小的范围内，说明CFD技术对半螺旋吸入室隔舌对流动影响的计算可以作为产品设计时的重要参考。

图7　三种方案计算曲线以及真机试验曲线

图8　真机试验现场

5　结论

通过对半螺旋吸入室三种隔舌方案的CFD数值计算分析以及真机试验验证，可以得到以下几点结论：

（1）半螺旋吸入室隔舌的形状可以影响泵叶轮进口处的流场分布进而影响叶轮的吸入性能以及泵的外特性。隔舌与叶轮进口距离的远近是影响叶轮进口处流场的重要因素之一，当该距离较远时叶轮进口处速度分布均匀，进口流动预旋较大，泵的扬程较低；当该距离较近时隔舌部位产生明显的漩涡，介质圆周速度周向分布波动大，预旋不明显，扬程相对较高。

（2）CFD数值计算技术是研究半螺旋吸入室内流体介质流动规律的重要手段之一，计算结果可行度高，并且指导半螺旋吸入室隔舌的形状设计。

参考文献：

［1］穆界天.双吸泵吸水室的画法［J］.甘肃工业大学学报，1987 （02）.

［2］李文广.工业用离心泵设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［3］高章发，庞伟.半螺旋形吸入室的设计和计算［J］.排灌机械工程学报，2001，19（5）.

［4］刘厚林，王凯，谈明高，等.半螺旋形吸水室水力设计CAD软件开发［J］.排灌机械工程学报，2008，26（2）.

［5］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

作者简介：张涛（1965-），男，汉族，甘肃张掖人，研究生，工程师，主要研究方向：水力机械及优化设计。

收稿日期：2015-1-4

中图分类号：TH311

文献标识码：A