李國威，王 巖，呂秀麗，李文華

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧電力勘測設(shè)計院，沈陽 110005）

離心泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、鍋爐給水、航天、石油化工、輕工、城市煤氣輸送等領(lǐng)域，其技術(shù)性能優(yōu)劣直接影響到各個相關(guān)行業(yè)。分流葉片離心泵是一種為了解決效率低、揚(yáng)程曲線易出現(xiàn)駝峰、易過載的優(yōu)化形式的離心泵。分流葉片偏置是在兩相鄰長葉片中間設(shè)置短葉片，并向長葉片背面偏置。其目的是為了改善葉輪和泵體的速度與壓力分布，以提高泵的性能。

對帶分流葉片離心泵的研究，雖然國內(nèi)外學(xué)者基于帶分流葉片低比轉(zhuǎn)速離心泵的設(shè)計方法、設(shè)計經(jīng)驗、勢流分析、外特性試驗以及內(nèi)流場測試研究取得一些有價值的成果[1-11]，但是對內(nèi)流場影響的研究還很不充分。

本文首先對偏置分流葉片離心泵內(nèi)流體的流動機(jī)理進(jìn)行分析，然后運(yùn)用FLUENT軟件對IS 65-40-250型偏置分流葉片離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬計算，驗證并探索偏置分流葉片離心泵內(nèi)部的流動規(guī)律，為帶分流葉片的內(nèi)部流場的研究和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

1 偏置分流葉片離心泵流動機(jī)理分析

1.1 數(shù)學(xué)機(jī)理分析

根據(jù)泵揚(yáng)程基本方程（假設(shè)進(jìn)口無旋）:

圖1 葉輪出口速度三角形Fig.1 Velocity triangle of impeller outlet

將式（2）、（3）代入式（1）得到無窮多葉片泵揚(yáng)程與葉輪外徑和出口安放角之間的關(guān)系:

根據(jù)斯托道拉修正公式[12]，得出有限葉片泵的揚(yáng)程與葉輪外徑、出口安放角和葉片數(shù)之間的關(guān)系:

式（5）說明，揚(yáng)程與葉輪外徑D22成正比，并隨著出口葉片安放角β2g的增大而增加。所以，在葉輪外徑D2減小以后，需要增加葉片出口安放角和葉片數(shù)來滿足揚(yáng)程的要求。但是過大的出口安放角會導(dǎo)致相鄰葉片間流道的擴(kuò)散嚴(yán)重；葉片數(shù)增多會導(dǎo)致葉輪進(jìn)口排擠嚴(yán)重，因此，解決這種矛盾的較好的方法就是采用分流葉片偏置布置的方法。

1.2 物理機(jī)理分析

如圖2所示，普通離心泵由于葉輪內(nèi)流體相對運(yùn)動，在軸向旋渦的影響下，葉輪旋轉(zhuǎn)時的科氏力和流線曲率的效應(yīng)，使射流—尾流不被混摻，而葉輪中的損失則集中在尾流區(qū)。如果在葉輪某一直徑上與長葉片對稱放置分流葉片，則會導(dǎo)致分流葉片相鄰流道內(nèi)流量不相等，流入泵體的流體速度會不均勻，這將增加葉輪內(nèi)及葉輪出口邊外的水力損失。

圖2 偏置分流葉片后的速度分布Fig.2 Velocity vector distribution after impeller with splitting vanes

在相鄰長葉片中間再偏置分流葉片，就能改變這種狀況，在一定程度上可提高揚(yáng)程和效率，改善泵的性能。從理論上分析其原因，一是葉片數(shù)增多，有限葉片數(shù)影響減少；二是因靠近長葉片背面的相對速度較大，偏置分流葉片可使兩個葉輪通過的流量趨于相等；三是在尾流區(qū)附近，組成新的長短葉片流道，起到分流作用，使小流道內(nèi)流速增加，在一定程度上起到?jīng)_刷尾流的作用。四是偏置分流葉片能有效防止長葉片非工作面（負(fù)壓面）上流體的分離和脫流，更好地控制流體運(yùn)動；五是由于分流葉片布置在葉輪出口部分，葉輪進(jìn)口不會造成堵塞，減小了沖擊損失，改善了葉輪的抗汽蝕性能；六是由于葉輪出口葉片增多，減小了流道的擴(kuò)散，從而可減小脫流和邊界層分離；七是偏置分流葉片可改善葉輪內(nèi)的速度分布，減小葉輪內(nèi)的水力損失以及從葉輪出口到泵體進(jìn)口之間的混合損失，提高泵的性能。

為了驗證上述偏置分流葉片離心泵的運(yùn)動機(jī)理，應(yīng)用Fluent軟件對IS65-40-250型的離心泵進(jìn)行仿真計算，分析其內(nèi)部流場的運(yùn)動規(guī)律。

2 偏置分流葉片離心泵三維實(shí)體建模

對IS65-40-250型蝸殼式離心泵葉輪和蝸殼分別建立流道的三維實(shí)體模型，離心泵設(shè)計參數(shù)為:流量25 m3·h-1、揚(yáng)程80 m、轉(zhuǎn)速2900 r·min-1、效率50%、比轉(zhuǎn)速33。葉輪分流葉片偏置設(shè)計如圖3所示，設(shè)計參數(shù)如下:分流葉片進(jìn)口直徑D=0.6，D2=152.4 mm，取值為154 mm；偏置度（代表分流葉片在兩長葉片中間的左右位置）:0.4θ；偏轉(zhuǎn)角α=0。

圖3 偏置分流葉片離心泵設(shè)計Fig.3 Design for impeller with splitting vanes of centrifugal pump

利用Pro/E建模軟件對偏置分流葉片離心泵建立三維實(shí)體模型，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 偏置分流葉片離心泵模型Fig.4 Model of impeller with splitting vanes of centrifugal pump

3 邊界條件設(shè)置

3.1 入口邊界條件

入口邊界條件按速度入口設(shè)定，在已知流量的情況下，入口速度的計算公式為:

在額定工況下，流量Q為25 m3·h-1，入口截面半徑r為32.5 mm，可計算額定工況下入口速度（m·s-1）。本文在計算中選用湍流強(qiáng)度I、水力直徑D、湍動能K和湍動耗散率ε方法按下列公式計算[13]，即:

式中，ReDH按水力直徑DH計算得到的雷諾數(shù)；v入口處的平均速度（m·s-1）；Cμ湍流模型中的經(jīng)驗常數(shù)，其值約等于0.09；L特征長度（本文中按入口直徑計算）。

按公式（7）～（10）計算所得結(jié)果為:I=3.65%，k=8.813×10-3m2·s-2，ε=0.0299 m2·s-3，l=4.55×10-3m。

3.2 出口邊界條件

由于本文求解的是離心泵整機(jī)不可壓縮流場，而且蝸殼出口流體流動速度和壓強(qiáng)未知，因此，出口邊界條件選用出流邊界條件。

3.3 壁面條件

葉輪前后蓋板面和各個葉片面均設(shè)置為移動壁面，但相對于臨近流體區(qū)域的移動速度是零；由于蝸殼內(nèi)腔表面在整個流動過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此將其設(shè)置為靜止壁面。

4 流場仿真結(jié)果分析

彩版Ⅰ、Ⅱ偏置分流葉片離心泵內(nèi)流場靜壓、總壓分布云。由彩版Ⅰ、Ⅱ中可以看出，偏置分流葉片離心泵內(nèi)葉輪入口附近壓力最小，蝸殼出口附近壓力達(dá)到最大；葉輪出口處總壓達(dá)到最大值，進(jìn)入蝸殼后由于存在流動損失，總壓沿流動方向遞減，但變化比較平緩。由此可見，偏置分流葉片可更好地控制流體運(yùn)動，有效地抑制了流體的分離和脫流。蝸殼螺旋線管區(qū)域內(nèi)流體靜壓分布更為均勻，沒有出現(xiàn)靜壓相對較大的局部區(qū)域，蝸殼螺旋線管區(qū)域內(nèi)靜壓變化梯度相對減小，有利于減小葉輪出口的壓力脈動，降低流動損失。偏置分流葉片后，離心泵內(nèi)流體總壓分布均勻，壓力變化梯度明顯減小，因而流動損失降低。

從彩版Ⅲ可以明顯看出，偏置分流葉片后，葉輪和蝸殼內(nèi)流體速度分布更加均勻，速度變化梯度相對較小，離心泵內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的流體流動分離現(xiàn)象，流動狀態(tài)良好，沖擊損失小，流動損失較低。這是因為靠近長葉片背面的相對速度較大，偏置分流葉片后可使兩個葉輪通過的流量趨于相等。蝸殼擴(kuò)散段速度更加穩(wěn)定，蝸殼出口速度分布更加均勻，蝸殼出口擴(kuò)散段的利用率增加。

彩版Ⅳ為離心泵葉輪偏置分流葉片后徑向中心剖面的相對速度矢量圖。從圖中可以看出，出口相對速度沿葉輪出口邊的切線方向；葉輪出口速度分布較均勻，沒有明顯的射流—尾流現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與理論上分流葉片偏置能起到?jīng)_刷尾流的作用相一致。這是因為分流葉片偏置后，在尾流區(qū)附近，組成新的長短葉片流道，起到分流作用，使小流道內(nèi)流速增加，在一定程度上起到?jīng)_刷尾流的作用。

圖5～6是經(jīng)過計算后得到的原型離心泵和偏置分流葉片離心泵的揚(yáng)程和水力效率對比圖。由此可見，按本文中分流葉片偏置設(shè)計方法，偏置分流葉片離心泵較原型離心泵的揚(yáng)程和效率分別提高了3.46%和1.7%。

圖5 揚(yáng)程對比Fig.5 Contrast of head

圖6 水力效率對比Fig.6 Contrast of waterpower efficiency

5 結(jié) 論

從數(shù)學(xué)上和物理上分析了偏置分流葉片離心泵的內(nèi)流體的運(yùn)動機(jī)理。通過仿真分析，驗證了偏置分流葉片有利于提高離心泵內(nèi)壓力、速度分布均勻性，減小葉輪和蝸殼內(nèi)的水力損失；在一定程度上有效地改善了射流—尾流結(jié)構(gòu)，起到了沖刷尾流的作用；減小了葉輪出口處的壓力脈動，降低了沖擊損失，流動狀況得到明顯改善。經(jīng)過計算，偏置分流葉片離心泵揚(yáng)程和水力效率較原型離心泵分別提高了3.46%和1.7%。

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