張文鵬,湯方平,石麗建,謝傳流,夏 燁,段小匯

(揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225009)

不同導葉參數(shù)對混流泵水力性能的影響

張文鵬,湯方平,石麗建,謝傳流,夏 燁,段小匯

(揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225009)

為探求不同導葉參數(shù)對混流泵水力性能的影響,以比轉(zhuǎn)速為438的模型泵為研究對象,在模型試驗驗證的基礎上,采用計算流體動力學方法,以常規(guī)導葉設計為基礎,在保持其他參數(shù)不變的情況下,分別數(shù)值模擬計算了4種不同導葉葉片數(shù)方案和7種不同導葉片掃掠角度方案的混流泵段水力性能。數(shù)值模擬結(jié)果表明:改變導葉葉片數(shù)對混流泵段外特性影響明顯,不同流量下存在不同的最優(yōu)葉片數(shù),小流量工況運行時,應適當增加葉片數(shù),大流量工況運行時,應適當減少葉片數(shù);不同導葉片掃掠角度對大流量區(qū)域影響顯著,不同流量存在不同的最優(yōu)導葉片掃掠角度且隨著流量的增大從-16°逐漸偏向+24°;在流量為510 L/s時,計算掃掠角度范圍內(nèi)對效率的影響達5.5%。

混流泵;導葉;掃掠角度;水力損失;數(shù)值計算

混流泵又稱斜流泵,其結(jié)構(gòu)和性能介于軸流泵和離心泵之間,既吸取了軸流泵和離心泵的優(yōu)點,又補償了兩者的缺點,是一種很理想的泵形式[1]。由于導葉式混流泵可以適應較大范圍的揚程變化,因此在東深供水工程、南水北調(diào)東線工程等調(diào)水工程中有較多的應用[2-3]。

對混流泵的水力性能研究主要采用理論分析和模型試驗兩種方法。由于固定部件與旋轉(zhuǎn)部件之間的動靜干涉,僅通過模型試驗很難精確測量出內(nèi)部復雜的水流狀態(tài)。近年來,隨著計算機技術的發(fā)展,計算流體動力學(CFD)因具有計算周期短、費用低且可以直觀得到水泵的內(nèi)流場等優(yōu)點,已在水泵研究中得到廣泛應用[4-6]。

和軸流泵一樣,混流泵設置導葉的目的也是為了把葉輪室內(nèi)流出的高速液體收集起來,調(diào)整水流方向,減小乃至消除水流的速度環(huán)量,將水流的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為壓能[7]。湯方平等[8-9]針對軸流泵后導葉回收能量問題進行了理論計算分析,提出了葉輪出口漩渦能和導葉葉型損失的計算方法;同時在大量模型試驗資料的基礎上,定量分析了各種比轉(zhuǎn)速軸流泵導葉可回收的最大能量。錢涵欣等[10]通過模型試驗研究了固定導葉安放角對泵性能的影響。張鑫太等[11]研究了混流泵徑向正導葉,通過CFD計算了整臺泵的水力性能。楊從新等[12-13]基于FLUNT軟件,研究了葉輪葉片和導葉葉片的靜壓關系及絕對速度分布規(guī)律,分析了不同參數(shù)對混流泵水阻系數(shù)及效率的影響。雖然前人已從理論、模型試驗和CFD計算等方面對軸流泵和混流泵導葉作用進行了分析研究,但導葉參數(shù)對混流泵水力性能的影響以及影響大小還不明確。本文采用控制變量的方法,通過數(shù)值模擬分析了不同導葉葉片數(shù)和不同導葉片掃掠角度下混流泵水力性能,以探求導葉單一參數(shù)改變對混流泵水力性能的影響。

1 計算模型

為了能夠真實反映混流泵內(nèi)部復雜的流動情況,選用比轉(zhuǎn)速ns=438、泵葉輪的葉片數(shù)為5、葉輪直徑為300 mm的模型泵對混流泵段的流體域進行了全流場數(shù)值模擬。以常規(guī)導葉設計為基礎,在保持其他參數(shù)不變的情況下,分別計算了4種不同導葉葉片數(shù)方案和7種不同導葉片掃掠角度方案,并與試驗結(jié)果進行對比分析。

1.1 計算水力模型的建立

泵段整體的計算區(qū)域包括進水直管、葉輪室、導葉體、后導水錐和出水彎管,如圖1所示。

圖1 泵段計算模型

1.2 網(wǎng)格劃分

進水直管、后導水錐和標準 60°出水彎管3個計算域均采用 ICEM 軟件進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格質(zhì)量達到0.4以上,符合計算要求。混流泵葉輪和導葉體直接在 Turbo-Grid 中進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。經(jīng)檢驗,葉輪和導葉體在 Turbo-Grid 中生成的網(wǎng)格質(zhì)量較好,同時也能夠滿足正交性要求。由于本文只分析導葉體單一參數(shù)變化對泵段性能的影響,在每次計算時,除導葉體外的部件均不改變,不同導葉葉片數(shù)及不同導葉片掃掠角度下的模型網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格質(zhì)量也基本保持不變,以盡可能消除網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格質(zhì)量對結(jié)果的影響。葉輪單通道網(wǎng)格數(shù)在10萬左右時,網(wǎng)格數(shù)再增加對模型計算效率基本無影響[14],因此,在計算時葉輪網(wǎng)格數(shù)為544 620;在滿足網(wǎng)格無關性要求下,導葉網(wǎng)格數(shù)為485 352,泵段整體計算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為2 292 437。

1.3 邊界條件

本文基于雷諾時均N-S方程求解,紊流模型采用標準k-ε模型。k-ε模型適用于完全湍流流動過程的數(shù)值模擬,且不考慮分子黏性的影響,是一種滿足絕大多數(shù)工程應用要求的紊流模型。對模型泵段進行數(shù)值模擬,內(nèi)部流動是完全紊流流動過程,且所有計算方案都采用該紊流模型,因此,計算結(jié)果具有可比性。進水直管的進口即為整個計算域的進口,并設置為1個標準大氣壓的邊界條件;出水彎管的出口為計算域的出口,并設置為質(zhì)量流量出口的邊界條件;葉輪部分設置為旋轉(zhuǎn)域,轉(zhuǎn)速設定為1 450 r/min,其中將葉輪輪緣的壁面邊界設為相對于葉輪反向同速旋轉(zhuǎn),其他為靜止域。固體壁面邊界包括葉片表面、輪轂表面、葉輪外殼的內(nèi)表面等,采用固壁表面以滿足黏性流體的無滑移條件,近壁區(qū)域采用標準壁面函數(shù)。交界面設置:進水直管出口與葉輪進口、葉輪出口與導葉進口的動靜交界面采用速度平均的Stage 型交界面,其余各部分交界面均采用None型交界面。

2 試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,在揚州大學高精度水力機械試驗臺上進行了混流泵段的能量試驗。試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng),總長度為60.0 m,管道直徑為0.5 m,試驗臺通過鑒定,效率綜合誤差在± 0.39% 以內(nèi),滿足國家標準。選用與數(shù)值模擬相一致的混流泵段裝置進行試驗,測試了導葉葉片數(shù)為11、導葉片掃掠角度為0°的方案，設置轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。試驗所用的葉輪和導葉如圖2所示,數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的外特性曲線對比如圖3所示。

圖2 試驗用葉輪和導葉

圖3 試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

由圖3可知,數(shù)值模擬與模型試驗的外特性曲線趨勢一致,但試驗結(jié)果的流量-揚程(Q-H)和流量-效率(Q-η)曲線均整體向大流量偏移,這可能是模型泵葉片角度人工調(diào)節(jié)誤差造成的。總體而言,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果存在少許誤差,但最大誤差不超過5%,滿足工程應用要求,并且數(shù)值模擬計算時只改變導葉葉片1個參數(shù),不同方案數(shù)值模擬計算結(jié)果的變化與葉輪角度無關,因此,數(shù)值計算結(jié)果是可靠的。

3 不同導葉葉片數(shù)對混流泵段性能的影響

根據(jù)軸流泵與混流泵導葉的設計方法[15-17],導葉葉片數(shù)盡量不與模型泵葉片數(shù)成倍數(shù)關系,對葉片數(shù)為7、9、11和13的4種方案進行數(shù)值模擬分析。

3.1 外特性

在保持其他參數(shù)不變的情況下,計算得到不同導葉葉片數(shù)時混流泵段外特性曲線,如圖4所示。

圖4 不同導葉葉片數(shù)時混流泵段外特性曲線對比

由圖4可知,相對于大流量和高效區(qū),在小流量區(qū)導葉葉片數(shù)對混流泵段外特性的影響較小,但還是表現(xiàn)出葉片數(shù)越多,揚程和效率越高的特點;在高效區(qū),13葉片時揚程最高,效率較其他方案提升明顯,流量相同時,葉片數(shù)越多,效率越高,但高效區(qū)范圍相對其他方案時窄;在大流量區(qū)內(nèi),不同的葉片數(shù)對揚程影響較大,流量相同時,葉片數(shù)越少,揚程越高,效率也越高,并且隨著流量的增大,這種趨勢越明顯?？傮w來看,4種方案的外特性曲線變化趨勢一致,在大流量和高效區(qū)范圍內(nèi),改變導葉葉片數(shù)對混流泵段的外特性影響明顯。

3.2 水力損失

取不同導葉葉片數(shù)時導葉進口、導葉出口和彎管出口的總壓,根據(jù)式(1)求取導葉體內(nèi)和后導水錐到出水彎管出口范圍內(nèi)的水力損失,得到不同導葉葉片數(shù)的流量與水力損失的關系圖,如圖5所示。

(1)

式中:h為水力損失,m;P2、P1分別為出水端總壓和進水端總壓,Pa;ρ為水的密度,kg/m3。

圖5 不同導葉葉片數(shù)時的水力損失曲線

由圖5可以看出:導葉葉片數(shù)變化對水力損失影響明顯。整體來看,在計算流量范圍內(nèi),隨著流量的增大,水力損失均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。圖5(a)中,在導葉體內(nèi),小流量和大流量情況下,導葉葉片數(shù)越多,水力損失越大;在流量360～460 L/s區(qū)間內(nèi),不同葉片數(shù)對應的水力損失曲線出現(xiàn)交叉,并且13葉片時水力損失相對最小。不同導葉葉片數(shù)對水流的疏導作用差別較大，對導葉體內(nèi)的水力損失而言,葉片數(shù)越少,導葉所受摩擦損失越小,水力損失越小。圖5(b)中,在后導水錐和出水彎管內(nèi),不同葉片數(shù)時的水力損失變化大。7葉片時水力損失變化最大,在小流量時,水力損失最大,隨著流量增大,水力損失下降明顯,到Q=490 L/s時出現(xiàn)拐點,水力損失又開始隨流量增大而變大,但仍小于其他葉片數(shù)時的水力損失。當導葉葉片數(shù)增加時,水力損失隨流量的變化范圍逐漸減小。在小流量區(qū),水力損失相差較大,說明不同導葉葉片數(shù)在小流量區(qū)回收速度環(huán)量的能力不一樣,葉片數(shù)越多,回收速度環(huán)量的能力越大,彎管內(nèi)剩余速度環(huán)量越小,水流越平穩(wěn),水力損失越小。

3.3 內(nèi)流場

圖6～8分別為Q=320 L/s、400 L/s、510 L/s時的導葉出口至出水彎管出口段內(nèi)的流線。

圖6 導葉出口至出水彎管出口段內(nèi)的流線(Q=320 L/s)

圖7 導葉出口至出水彎管出口段內(nèi)的流線(Q=400 L/s)

圖8 導葉出口至出水彎管出口段內(nèi)的流線(Q=510 L/s)

由圖6 可以看出,導葉體內(nèi)脫流嚴重,水流在后導水錐和出水彎管內(nèi)仍然是旋轉(zhuǎn)流動的。7葉片時,導葉體內(nèi)脫流最嚴重;11葉片時,內(nèi)部水流狀況逐漸得到改善,漩渦區(qū)減小;13葉片時,漩渦區(qū)明顯增多,水流狀態(tài)比11葉片時紊亂。整體來看,水流狀態(tài)隨著導葉葉片數(shù)的增加表現(xiàn)出先改善后變差的趨勢。

由圖7可以看出,7葉片時,導葉體內(nèi)存在部分脫流區(qū)域,漩渦分布不均勻;11葉片時,導葉內(nèi)部水流狀況得到明顯改善,不穩(wěn)定區(qū)域從導葉體內(nèi)部移向?qū)~尾部,彎管內(nèi)水流相對平順;13葉片時,導葉體內(nèi)部分位置重新出現(xiàn)脫流,導葉體尾部的水流旋轉(zhuǎn)趨勢增強,出水彎管內(nèi)的水流狀態(tài)比11葉片時紊亂。整體來看,水流狀態(tài)隨著導葉葉片數(shù)的增加也表現(xiàn)出先改善后變差的趨勢。

由圖8可以看出,當Q=510 L/s時,各導葉體對水流的疏導作用無明顯差異,內(nèi)部均無明顯脫流,各出水彎管內(nèi)部水流狀況也都比較平穩(wěn)。

綜合圖5～8可知,導葉葉片數(shù)并不是越多越好,不同流量存在最合適的葉片數(shù)使混流泵段內(nèi)的水力損失最小。①在小流量區(qū),葉片數(shù)越多,對水流疏導作用越強,水流對導葉葉片的沖擊作用也越強,致使導葉體內(nèi)的水力損失越大,但經(jīng)過導葉體的整流作用,流出導葉體的水流平穩(wěn),在彎管內(nèi)水力損失減小。雖然導葉體內(nèi)的水力損失占泵段內(nèi)的水力損失比重很大,但不同導葉葉片數(shù)在導葉體內(nèi)造成的水力損失變化不大,此時,彎管內(nèi)的水力損失對總的水力損失的變化起主要作用,從而造成總的水力損失小。②在大流量區(qū),水流對導葉葉片的擠壓作用遠大于小流量區(qū)域,導葉葉片數(shù)增加雖然對水流疏導作用增強，但葉片數(shù)越多,葉片對水流的擠壓作用越強,葉片與水流的接觸面積也越大,從而造成的摩擦損失也越大,此時摩擦損失占總的水力損失比重大,這也是大流量時葉片數(shù)越多泵段效率下降越快的重要原因。因此,在導葉設計時,有必要針對不同運行流量,選取最合適的葉片數(shù)。

4 不同導葉片掃掠角度對混流泵段性能的影響

導葉片掃掠是指在翼型參數(shù)保持不變的情況下,通過改變導葉體翼型斷面的三維坐標值,將導葉片順時針或逆時針(從順水流方向看)掠過一定的角度,以尋找到一個使導葉體對速度環(huán)量回收能力最強的掃掠角度。原導葉翼型是按常規(guī)的徑向排列的,掃掠角度為0°;規(guī)定導葉體葉片三維坐標以輪轂為基準線逆時針旋轉(zhuǎn)一定的角度為前掠,用“+”表示,順時針旋轉(zhuǎn)一定的角度為后掠,用“-”表示。需要指出的是,葉輪葉片的變角調(diào)節(jié)是改變?nèi)~片的弦線與其圓周速度方向之間夾角的大小,而導葉片的掃掠是導葉片繞z軸整體彎掠的,因此,二者的調(diào)節(jié)方式不同,且認為導葉片的掃掠對裝置的流量沒有影響。

為分析不同導葉片掃掠角度對混流泵段性能的影響,以11葉片方案為例,對流量范圍在230～530 L/s、導葉片掃掠角度分別-24°、-16°、-8°、0°、+8°、+16°和+24°的7種方案進行數(shù)值模擬比較分析。

4.1 外特性

圖9為7種方案混流泵段外特性曲線。由圖9可知,在小流量區(qū),雖然不同掃掠角度的外特性變化不如高效區(qū)和大流量區(qū)那樣明顯,但可以看出后掠的效果優(yōu)于前掠,并且隨著流量的減小,這種趨勢越來越明顯;在高效區(qū),不同掃掠角度對應的Q-H和Q-η曲線均出現(xiàn)交叉甚至重疊,說明存在最佳的掃掠角度;在大流量區(qū),相同流量時,前掠效果優(yōu)于后掠,并且大致呈現(xiàn)出前掠角度越大,揚程越高,效率也越高的趨勢,隨著流量的增大,這種趨勢越明顯。

圖9 不同導葉片掃掠角度時混流泵段外特性曲線對比

圖10為Q=260 L/s、360 L/s、430 L/s、510 L/s時的揚程和效率隨掃掠角度的變化曲線,可以看出,在Q=260 L/s、360 L/s、430 L/s時,掃掠角度約分別為-16°、0°、+16°時揚程和效率達到最優(yōu)值,流量再增大,最優(yōu)掃掠角度繼續(xù)偏向正向角度。隨著流量的增大,改變掃掠角度對混流泵段外特性的影響越來越明顯,在Q=510 L/s時,計算范圍內(nèi)導葉片掃掠角度對效率的影響達5.5%。

圖10 不同流量混流泵段外特性曲線隨導葉片掃掠角度的變化

4.2 水力損失

取不同掃掠角度下導葉進口、導葉出口和彎管出口的總壓,根據(jù)式(1)求取導葉體內(nèi)和后導水錐到出水彎管出口范圍內(nèi)的水力損失,得到不同導葉片掃掠角度時的流量與水力損失關系如圖11所示。

圖11 不同導葉片掃掠角度時的水力損失曲線

由圖11(a)可以看出,導葉體內(nèi)的水力損失受導葉片掃掠角度的影響變化較大,小流量區(qū)后掠角度的水力損失小于前掠角度的水力損失,并且后掠角度越大,水力損失越小;隨著流量增大出現(xiàn)交叉拐點;到大流量時,前掠角度的水力損失整體小于后掠角度的水力損失,隨著流量增大,前掠角度越大,水力損失越小。圖11(b)中后導水錐和出水彎管內(nèi)的水力損失隨導葉片掃掠角度變化明顯:前掠角度越大,水力損失越小。

綜合圖10和圖11可知,導葉片掃掠角度對混流泵段性能的影響跟流量密切相關。在不同流量下存在不同的最優(yōu)掃掠角度使混流泵段的水力性能達到最優(yōu)。在小流量區(qū)后掠角度明顯優(yōu)于前掠角度，在大流量區(qū)前掠角度整體優(yōu)于后掠角度。因此,在導葉設計時,有必要針對不同運行流量點選取最合適的導葉片掃掠角度。

5 結(jié) 論

a. 改變導葉葉片數(shù)不論對混流泵段的外特性還是內(nèi)流場影響均較大。在小流量和高效區(qū)范圍內(nèi),葉片數(shù)越多,對水流的疏導作用越好,整體的水力損失越小,效率也越高;在大流量區(qū),葉片數(shù)越多,水力損失越大,效率下降也越明顯。

b. 不同導葉片掃掠角度時混流泵段的外特性和水力損失曲線差異明顯，不同流量時導葉片掃掠角度對水流的疏導效果不同,不同流量存在著不同的最優(yōu)掃掠角度;隨著流量的增大,最優(yōu)掃掠角度從后掠角度逐漸向前掠角度偏移,在流量為510 L/s時,計算范圍內(nèi)導葉片掃掠角度對效率的影響達5.5%。

c. 改變導葉葉片數(shù)和導葉片掃掠角度來改善混流泵段性能是可行的。在導葉設計時,應綜合考慮機組經(jīng)常運行工況的范圍和機組震動情況。

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Influenceofdifferentparametersofguidevaneonhydrauliccharacteristicsofmixed-flowpump//

ZHANG Wenpeng, TANG Fangping, SHI Lijian, XIE Chuanliu, XIA Ye, DUAN Xiaohui

(SchoolofHydraulic,EnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

In order to investigate the influence of guide vane parameters on the hydraulic characteristics of a mixed-flow pump, using a model pump with a specific speed of 438 as a study object under the condition that other parameters remain constant, the hydraulic characteristics of mixed-flow pumps in four schemes of different numbers of guide vane blades and in seven schemes of different sweep angles of guide vane blades were numerically simulated using the computational fluid dynamics method based on model test verification. The results show that the number of guide vane blades has a significant effect on the external characteristics of the mixed-flow pump. Different optimal numbers of guide vane blades exist for different discharges: the number of guide vane blades should be appropriately increased under low discharge conditions, and it should be appropriately reduced under large discharge conditions. The sweep angle significantly influences the hydraulic characteristics in the large discharge area. Different optimal sweep angles exist for different discharges. The optimal sweep angle changes from -16° to +24° with the increase of discharge, and the influence of the sweep angle within the computational range on the efficiency reaches 5.5% when the discharge is 510 L/s.

mixed-flow pump; guide vane; sweep angle; hydraulic loss; numerical calculation

國家自然科學基金(51376155);“十二五”農(nóng)村領域科技計劃(2012BAD08B03-2);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程(PAPD)

張文鵬(1991—),男, 碩士研究生,主要從事流體功能曲面的多學科優(yōu)化設計研究。E-mail:18852727757@163.com

湯方平(1964—),男, 教授,博士,主要從事流體機械設計及復雜工程系統(tǒng)科學優(yōu)化設計等研究。E-mail:tangfp@yzu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.006

TH313

A

1006-7647(2017)06-0032-06

2016-12-02 編輯：熊水斌)