袁丹青，石 榮，韓泳濤，陸偉剛

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

深井離心泵是提取地下水的主要設(shè)備，在農(nóng)村、礦山、鐵路和油田等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-2］.空間導(dǎo)葉又叫導(dǎo)流殼，主要特點(diǎn)是軸向長(zhǎng)徑向短，主要用于井泵、導(dǎo)葉式離心泵和混流泵［3］，其作用是將從葉輪中流出的液體輸送到下一級(jí)葉輪，并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，同時(shí)消除速度的圓周分量［4］.導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的好壞對(duì)離心泵性能有很大影響，有專(zhuān)家指出導(dǎo)葉的水力損失約占泵水力總損失的40% ～50%［5］.因此，在注重葉輪設(shè)計(jì)的同時(shí)，不能輕視對(duì)導(dǎo)葉的設(shè)計(jì).文獻(xiàn)［6］提出一種拉桿結(jié)構(gòu)的SJB型深井泵，采用進(jìn)口邊扭曲的反導(dǎo)葉，減小了導(dǎo)葉進(jìn)口損失，并縮短了泵體軸向距離.文獻(xiàn)［7-8］為開(kāi)發(fā)一種緊湊式多級(jí)泵，提出了一種圓周彎扭式導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法的正確性.文獻(xiàn)［9］介紹了多級(jí)離心泵4種常用導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法和軟件系統(tǒng)，該軟件已成功應(yīng)用于深井泵導(dǎo)葉開(kāi)發(fā).文獻(xiàn)［10］在精鑄不銹鋼工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了150QJS20型多級(jí)深井泵，采用導(dǎo)葉殼體向外翻邊的圓周彎扭式徑向?qū)~，降低了導(dǎo)葉鑄造難度，提高了泵運(yùn)行的可靠性.文獻(xiàn)［11］運(yùn)用正交試驗(yàn)和Fluent軟件結(jié)合的方法，利用極差分析研究了影響井用潛水泵導(dǎo)葉性能的主要因素和次要因素.

為進(jìn)一步提高導(dǎo)葉性能，文中針對(duì)100QJ16型深井離心泵，采用正交試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對(duì)新型空間導(dǎo)葉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究該導(dǎo)葉主要幾何參數(shù)對(duì)整泵特性的影響規(guī)律，并提出性能較優(yōu)的新型空間導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方案.

1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式

常見(jiàn)的導(dǎo)葉形式有徑向?qū)~、流道式導(dǎo)葉、圓柱導(dǎo)葉和空間導(dǎo)葉.傳統(tǒng)的徑向?qū)~由正導(dǎo)葉、環(huán)形空間、反導(dǎo)葉組成，效率相對(duì)較低，主要用于節(jié)段式多級(jí)泵.空間導(dǎo)葉的正反導(dǎo)葉合為一體，主要用于井泵和導(dǎo)葉式混流泵，但空間導(dǎo)葉葉片扭曲度大，制造難度相對(duì)較大.

文中結(jié)合空間導(dǎo)葉和進(jìn)口扭曲導(dǎo)葉的特點(diǎn)，提出一種新型空間結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)空間導(dǎo)葉不同的是，傳統(tǒng)空間導(dǎo)葉葉片是一個(gè)完整的空間葉片，而該導(dǎo)葉葉片是由扭曲部分和圓柱葉片部分光滑鏈接而成，并對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)蓋板采用向內(nèi)翻邊的形式，使該導(dǎo)葉在鑄塑生產(chǎn)中可以軸向上下拔模.新型空間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 新型空間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖

2 導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方法

葉片采用扭曲三角形法繪圖，該方法在離心泵扭曲葉輪的設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛.文中借鑒進(jìn)口扭曲導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法，外蓋板流線aa'、中間流線bb'和內(nèi)蓋板流線cc'3 條流線構(gòu)造導(dǎo)葉葉片曲面，a，a'，b，b'，c，c'分別在不同的圓周上.首先確定好導(dǎo)葉的葉片進(jìn)口安放角β3、出口安放角為β4、葉片包角φ、軸向距離L、進(jìn)口扭曲葉片包角φA等參數(shù)，為了滿足新型導(dǎo)葉鑄塑軸向上下拔模工藝要求，進(jìn)口扭曲葉片包角要滿足φA＜360°/Z(Z為葉片數(shù)).按扭曲三角形法繪制導(dǎo)葉葉片型線，如圖2所示.

圖2 導(dǎo)葉軸面圖葉片型線圖

圖中R3為內(nèi)流線最大半徑、R4為外流線最大半徑、R5為葉片出口邊內(nèi)流線半徑、R6為葉片出口邊外流線半徑.然后用扭曲三角形法繪制導(dǎo)葉葉片展開(kāi)圖和導(dǎo)葉平面圖，如圖3，4所示.

圖3 導(dǎo)葉葉片展開(kāi)圖

圖4 導(dǎo)葉平面圖

圖3中Rb為導(dǎo)葉頂端葉片寬度，Rb'為導(dǎo)葉出口寬度.根據(jù)導(dǎo)葉葉片展開(kāi)圖可得到外緣型線、中間流線和內(nèi)緣型線的徑向坐標(biāo)和角度，再根據(jù)軸面圖上導(dǎo)葉三條流線軸向坐標(biāo)，可以用三維制圖軟件繪制導(dǎo)葉曲面，再根據(jù)軸面圖和深井泵特殊的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)出導(dǎo)葉內(nèi)外蓋板，完成導(dǎo)葉的設(shè)計(jì).

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 基本參數(shù)

為了進(jìn)一步研究該導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法，選取100QJ16型深井離心泵為研究對(duì)象，進(jìn)行新型空間導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)，該深井泵具體參數(shù)值:流量Q為16 m3·h-1、單級(jí)揚(yáng)程H為4 m、轉(zhuǎn)速n為2 850 r·min-1、比轉(zhuǎn)速ns為245、最大級(jí)數(shù)為24.

根據(jù)葉輪參數(shù)和深井泵特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，并參照已有空間導(dǎo)葉，取新型空間導(dǎo)葉設(shè)計(jì)參數(shù)為D3=68 mm，D4=82.5 mm，D6=48 mm，D5=18 mm，L=30 mm，β3=26°，β4=90°，φ =95°，φA=48°及Z=7個(gè).

為了找到該導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)規(guī)律，取得最優(yōu)的模型，對(duì)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)反復(fù)修改，運(yùn)用CFD軟件對(duì)多組模型通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析.最初設(shè)計(jì)分為2個(gè)方向，如圖5所示，導(dǎo)葉0中葉片曲面的扭曲部分與圓柱部分的鏈接部分未進(jìn)行過(guò)度處理;導(dǎo)葉1的葉片曲面是一個(gè)整體，由圓柱葉片部分和扭曲葉片部分光滑鏈接而成.

圖5 第一階段的導(dǎo)葉模型

3.2 數(shù)值模擬及優(yōu)化

考慮到井泵級(jí)數(shù)較多，如果按照實(shí)際的級(jí)數(shù)進(jìn)行模擬，會(huì)因網(wǎng)格數(shù)目過(guò)大而增加計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，文中選取兩級(jí)泵為計(jì)算模型［12］.平衡孔的泄漏和口環(huán)降壓等會(huì)對(duì)泵的性能帶來(lái)一定的影響，因此文中對(duì)模型泵進(jìn)行全流場(chǎng)模擬.在Pro/E中分別對(duì)進(jìn)口區(qū)域、葉輪、泵腔、導(dǎo)葉和出口區(qū)域進(jìn)行三維建模，為了使進(jìn)水口和出水口流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)進(jìn)口和出口水體進(jìn)行了適當(dāng)延長(zhǎng)，其裝配圖如圖6所示.

隨后將計(jì)算模型導(dǎo)入ICEM CFD中，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)固體壁面處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總體網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上.為了降低網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，文中進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選取280萬(wàn)網(wǎng)，隨后導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.

圖6 計(jì)算模型

以深井離心泵內(nèi)流道為計(jì)算區(qū)域，整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分，葉輪區(qū)域是旋轉(zhuǎn)部分，其他區(qū)域?yàn)殪o止部分，旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域通過(guò)域交界面聯(lián)接，兩域界面上信息傳輸是通過(guò)動(dòng)靜部件的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的.對(duì)近壁面的湍流流動(dòng)按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理［13］.設(shè)定整個(gè)流道為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)黏性湍流流場(chǎng)，建立相對(duì)坐標(biāo)系下時(shí)均連續(xù)方程、動(dòng)量方程.進(jìn)口斷面給定進(jìn)口流速，出口斷面取壓力出口邊界條件，固壁面無(wú)滑移，應(yīng)用SIMPLEC算法，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，設(shè)定收斂精度為10-5，得到在額定工況下，導(dǎo)葉0的單級(jí)揚(yáng)程和效率值為4.16 m和64.61%，導(dǎo)葉1的揚(yáng)程和效率值為4.24 m和66.08%.導(dǎo)葉1的效率和揚(yáng)程均高于導(dǎo)葉0，說(shuō)明導(dǎo)葉1較符合水力流動(dòng)，水力性能較優(yōu);另一方面光滑鏈接的導(dǎo)葉1也更符合制造工藝.因此確定新型空間導(dǎo)葉后續(xù)的設(shè)計(jì)模板均以導(dǎo)葉1為基準(zhǔn)，圓柱部分和空間扭曲部分光滑鏈接，僅在結(jié)構(gòu)參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整.

為進(jìn)一步提高導(dǎo)葉性能指標(biāo)，選取葉片進(jìn)口安放角β3、葉片包角φ、葉片出口安放角β4和進(jìn)口扭曲葉片包角φA這4個(gè)因素，分別為A，B，C，D，每個(gè)因素取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)出9個(gè)導(dǎo)葉模型，分別與同一葉輪裝配進(jìn)行數(shù)值模擬，其中選擇因素的水平如表1所示.

表1 因素水平表 (°)

按照L9(34)正交表［14］，確定9組試驗(yàn)方案，分別在CFX軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，得到9組正交試驗(yàn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果，如表2所示.

表2 試驗(yàn)方案及外特性模擬結(jié)果

為了研究各個(gè)所選因素對(duì)泵性能的影響規(guī)律，找到主要因素及優(yōu)化方案，選取揚(yáng)程和效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示，其中K1，K2，K3分別為相應(yīng)指標(biāo)下各試驗(yàn)結(jié)果的平均值;RH，Rη分別為各因素下模型泵揚(yáng)程和效率的極差值.

表3 極差分析

從表3中可看出，各列的極差值各不相同，說(shuō)明所選試驗(yàn)因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小是不同的.極差值越大說(shuō)明該因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的水平變化對(duì)指標(biāo)的影響越大，極差值越小，說(shuō)明該因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的水平變化對(duì)指標(biāo)的影響越小，一般是不重要因素.因此對(duì)比極差值大小，得到了不同因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響的主次順序，所選幾何參數(shù)對(duì)深井離心泵的揚(yáng)程和效率影響的主次順序分別為A，B，C，D和A，B，D，C.對(duì)于單個(gè)試驗(yàn)因素，以因素A各水平對(duì)揚(yáng)程的影響大小為例，K2＞K3＞K1，因此因素A各個(gè)水平對(duì)揚(yáng)程影響的主次順序是A2A3A1.各水平對(duì)揚(yáng)程和效率試驗(yàn)因素影響的主次順序如表4所示.

表4 對(duì)性能影響的主次因素

本次正交試驗(yàn)是為了在揚(yáng)程滿足要求的情況下，100QJ16型深井離心泵在額定工況下的效率最高.由表7可知，A2，B2，C3這3個(gè)因素水平，能同時(shí)滿足效率最大和揚(yáng)程最高，因素D對(duì)揚(yáng)程的影響相對(duì)較小，因此取效率最佳方案A2B2C3D1作為優(yōu)化結(jié)果，即試驗(yàn)方案5，葉片進(jìn)口安放角β3=26°、葉片包角φ=90°、葉片出口安放角β4=80°、扭曲葉片包角φA=44°.

3.3 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化方案A2B2C3D1做成樣機(jī)進(jìn)行外特性試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示.試驗(yàn)值比數(shù)值模擬結(jié)果偏低，存在一定誤差，但試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果隨流量的變化趨勢(shì)基本一致，誤差也在允許的范圍內(nèi).在額定流量點(diǎn)樣機(jī)的效率為67.62%，單級(jí)揚(yáng)程為4.25 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其效率和揚(yáng)程超過(guò)了國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1)介紹了新型空間導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法，用扭曲三角形法設(shè)計(jì)出平面圖，用三維軟件轉(zhuǎn)化為立體圖.

2)為提高導(dǎo)葉水力性能，運(yùn)用正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬軟件結(jié)果的方法，探究了新型導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)規(guī)律，取得了不同因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序.通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明，該泵性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，證明了設(shè)計(jì)方法的可行性.

3)提出的新型空間導(dǎo)葉與井泵普通的空間導(dǎo)葉相比，加工工藝好，可以軸向上下拔模，注塑方便，有利于規(guī)范化生產(chǎn).

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