（江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

符號(hào)說(shuō)明：

Q——流量，m3/h；

H——揚(yáng)程，m；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

ns——比轉(zhuǎn)速；

Ds——吸入口直徑，mm；

D2——葉輪外徑，mm；

D3——蝸殼基圓直徑，mm；

L——葉輪軸向長(zhǎng)度，mm；

b2——出口寬度，mm；

b3——蝸殼入口寬度，mm；

dh——入口端輪轂直徑，mm；

α1——輪緣側(cè)葉片傾角，（°）；

α2——輪轂側(cè)葉片傾角，（°）；

α3——葉輪出口邊傾角，（°）；

β1，sh——輪緣側(cè)進(jìn)口安放角，（°）；

β2，sh——輪緣側(cè)出口安放角，（°）；

β1，hu——輪轂側(cè)進(jìn)口安放角，（°）；

β2，hu——輪轂側(cè)出口安放角，（°）；

φ——葉片包角，（°）；

As——蝸殼第Ⅷ斷面面積，mm3。

0 引言

螺旋離心泵于20世紀(jì)60年代由Martin sthale發(fā)明，最早用于港口輸送活魚(yú)，現(xiàn)主要應(yīng)用于造紙、煤炭、環(huán)保、礦山以及航空等領(lǐng)域，并且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。它是一種將螺旋泵和離心泵相結(jié)合的高效雜質(zhì)泵，葉輪前半段為螺旋段，位于吸水室內(nèi)，呈容積泵特征；葉輪后半段為離心段，位于蝸殼內(nèi)，呈離心泵特征。其具有陡降的揚(yáng)程曲線和平坦的效率曲線，且高效區(qū)較為寬廣，效率要比離心式雜質(zhì)泵和旋流式旋流泵高，稍低于普通離心泵[1]。

螺旋離心泵與普通離心泵的本質(zhì)區(qū)別在于葉輪結(jié)構(gòu)不同，其具有的單葉片的結(jié)構(gòu)特征優(yōu)勢(shì)在于其良好的性能曲線，無(wú)阻塞性和抗纏繞性，對(duì)輸送介質(zhì)的無(wú)損性和良好的抗汽蝕能力。但到目前為止對(duì)螺旋離心泵的設(shè)計(jì) 無(wú)論從理論方面還是從經(jīng)驗(yàn)方面都還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)普通離心泵的水平[2]。原因在于該種泵缺點(diǎn)是其水力平衡性較差，這導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)葉輪徑向力過(guò)大，產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。同時(shí)其內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，單葉片對(duì)流體的約束力不強(qiáng)，在葉片根部和進(jìn)口處吸力面上始終存在脫流現(xiàn)象[3]。

螺旋離心泵主要設(shè)計(jì)方法有方格網(wǎng)保角變換法和螺旋線方程推導(dǎo)法。方格網(wǎng)保角變換法可以精確控制流道面積變化規(guī)律以及進(jìn)出口安放角等參數(shù)，但在流線分點(diǎn)時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間，特別是在繪制進(jìn)口邊的時(shí)候該位置的分點(diǎn)會(huì)十分密集，繪型難度較大。螺旋線方程推導(dǎo)法直接使用螺旋線方程描述葉片型線，這種方法更快，但是使用螺旋線方程推導(dǎo)法設(shè)計(jì)的葉輪較難精確地控制流道面積變化趨勢(shì)，方程推導(dǎo)較為復(fù)雜。到目前為止，螺旋離心泵的設(shè)計(jì)方法無(wú)論從理論還是經(jīng)驗(yàn)方面來(lái)說(shuō)，都遠(yuǎn)未達(dá)到普通離心泵設(shè)計(jì)的水平。

CFturbo主要用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)，它只需要根據(jù)一些基本的設(shè)計(jì)參數(shù)就可以根據(jù)內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)來(lái)生成所需的實(shí)體，用戶還可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更改[4-6]。目前CFturbo沒(méi)有螺旋離心泵設(shè)計(jì)模塊，因此無(wú)法對(duì)螺旋離心泵進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，不過(guò)CFturbo具有可以自由地控制葉輪軸面形狀，且不用對(duì)軸面流線進(jìn)行分點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)流線曲線函數(shù)便能直接控制整個(gè)流面形狀等優(yōu)勢(shì)，因此本文利用該優(yōu)勢(shì)對(duì)螺旋離心泵葉輪，特別是葉片型線進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)出曲線數(shù)據(jù)至SolidWorks重建葉片曲面并進(jìn)一步設(shè)計(jì)和完善葉輪結(jié)構(gòu)，獲取完整的葉輪模型。

1 主要幾何參數(shù)確定

1.1 葉輪主要參數(shù)的確定

本文使用螺旋離心泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。螺旋離心泵葉輪的軸面結(jié)構(gòu)以及主要幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 葉輪軸面投影

1.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式

通過(guò)對(duì)比朱榮生統(tǒng)計(jì)得到的葉輪幾何參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[7]和何希杰推導(dǎo)的葉輪幾何參數(shù)公式[8]，本人通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)他們的公式進(jìn)行總結(jié)和修改，公式如下：

（1）輪轂直徑dh

（2）吸入口直徑Ds

（3）葉輪外徑D2

（4）葉輪軸向長(zhǎng)度L

（5）出口寬度b2

（6）葉輪出口邊傾角α3

（7）輪緣側(cè)出口安放角β2，sh

（8）輪轂側(cè)出口安放角β2，hu

其他的結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)較難通過(guò)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行總結(jié)，需要依據(jù)實(shí)際情況取值，取值范圍如下：α1=53°～65°，α2=56°～65°，β1，sh=13°～16°，φ =510°～630°。

1.3 壓水室主要參數(shù)的確定

本文參考一般雜質(zhì)泵壓水室的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]，參數(shù)公式這里不再贅述。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 性能參數(shù)

根據(jù)下列參數(shù)對(duì)螺旋離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，性能參數(shù)為：Q=150 m3/h，H=15 m，n=1 480 r/min，ns=147。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

葉輪和蝸殼的主要幾何參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 螺旋離心泵幾何參數(shù)

2.3 基于CFturbo的葉輪和壓水室初步設(shè)計(jì)

2.3.1 葉輪軸面投影圖

進(jìn)入CFturbo Pump模塊，輸入葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)后對(duì)葉輪軸面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。輪緣和輪轂皆使用Bézier曲線繪制，通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)位置及其曲率的方法對(duì)輪廓進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保過(guò)流斷面過(guò)渡順暢。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小葉片進(jìn)口邊傾角可以一定程度上抑制螺旋離心泵葉輪進(jìn)口的預(yù)旋[10]，提高能量轉(zhuǎn)化效率，但傾角過(guò)小會(huì)影響影響葉輪的通過(guò)性，并影響葉輪內(nèi)部流動(dòng)，因此本文將進(jìn)口邊傾角設(shè)置為60°。軸面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 葉輪軸面投影

設(shè)計(jì)完葉輪軸面結(jié)構(gòu)后，進(jìn)入流面設(shè)計(jì)模塊對(duì)葉片曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，葉片流線的曲線如圖3所示。由于本文未對(duì)葉輪中間流面進(jìn)行劃分，葉片骨線為直線，只調(diào)節(jié)輪轂和輪緣兩側(cè)流線的控制曲線節(jié)點(diǎn)曲率，這里的控制曲線依舊為Bézier曲線，控制曲線如圖4所示。

圖3 安放角曲線

圖4 安放角控制曲線

本文研究過(guò)程中設(shè)計(jì)多種安放角曲線形狀，對(duì)比不同安放角曲線對(duì)水力性能的影響，認(rèn)為使用前端平坦后端陡降的 βhu曲線，葉輪的流道過(guò)渡更符合流動(dòng)規(guī)律。安放角曲線如圖5所示，初始葉輪的形狀如圖6所示。

圖5 實(shí)際安放角曲線

圖6 初始葉輪形狀

2.3.2 蝸殼水力模型

蝸殼參照普通離心泵蝸殼設(shè)計(jì)，蝸殼斷面為梨形斷面，外形采用螺旋式。蝸殼水力模型如圖7所示。

圖7 蝸殼水力模型

2.3.3 基于SolidWorks的葉輪完善設(shè)計(jì)

從圖6可以看出，入口端輪轂過(guò)長(zhǎng)，且葉片360°包角處靠近輪轂的位置出現(xiàn)明顯扭曲無(wú)法直接使用，同時(shí)葉輪進(jìn)口邊未進(jìn)行切割，泵的通過(guò)性較差，因此需要將入口多余輪轂切割掉并進(jìn)行重新繪制和完善葉片。這里將輪轂型線和葉片輪廓的螺旋線導(dǎo)入Solidworks，葉輪型線如圖8所示。

圖8 葉輪型線

基于導(dǎo)入的螺旋線繪制骨線，骨線的數(shù)量決定葉片曲率連續(xù)性，本文選取4個(gè)基準(zhǔn)面共繪制15條骨線，如圖9所示。

圖9 葉片型線及骨線

將葉片骨線作為約束線，葉片型線作為引導(dǎo)線對(duì)葉片進(jìn)行重建，曲面重建完畢后對(duì)葉片表面的Gauss曲率進(jìn)行檢測(cè)，確保葉片光滑平順。

由于葉輪入口段主要起引流的作用，增壓能力較弱，這可以從下文葉片表面的壓力分布特性分析得出，為了使葉輪能夠順暢地將介質(zhì)引入流道內(nèi)，保證其良好的通過(guò)性和無(wú)損性，本文對(duì)葉片進(jìn)口邊進(jìn)行切割，擴(kuò)大葉輪的進(jìn)口面積，切割方法如圖10所示，其中淡藍(lán)色錐形面表示葉輪的進(jìn)口面，橘黃色面塊表示被切割區(qū)域。

圖10 葉片進(jìn)口邊切割

葉片切割完后對(duì)葉片進(jìn)行加厚并將之與輪轂合并，獲取完整的螺旋離心泵葉輪，葉輪如圖11所示。

圖11 螺旋離心泵葉輪模型

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型與求解器設(shè)置

把不同湍流模型應(yīng)用于螺旋離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)的值模擬，并將模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬較為合適[11]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用最為廣泛且最為有效的湍流模型。

由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)和單元能夠較好地處理邊界，適用于流體機(jī)械中復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格的生成[12]，所以本文對(duì)水體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。本文共劃分網(wǎng)格數(shù)量164 W，網(wǎng)格模型如圖12所示。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，由于葉輪區(qū)域?qū)儆趧?dòng)計(jì)算域，故采用多重參考坐標(biāo)系MRF，動(dòng)靜交界面的坐標(biāo)系變換設(shè)置Frozen Rotor。邊界條件采用速度進(jìn)口、開(kāi)放式出口、固體壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界。設(shè)置對(duì)流項(xiàng)的求解格式為高階求解格式，湍流數(shù)值項(xiàng)的求解格式為一階格式，求解步數(shù)2 000，時(shí)間尺度為物理時(shí)間尺度，葉輪每旋轉(zhuǎn)4°為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 45 s，殘差收斂精度為10-4。

圖12 流體域網(wǎng)格模型

3.2 性能曲線

使用CFX15.0對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，未經(jīng)優(yōu)化的螺旋離心泵性能曲線如圖13所示。

圖13 性能曲線

從圖中可以看出，該泵具有陡降的揚(yáng)程曲線以及較穩(wěn)定的功率曲線，具有典型的螺旋離心泵外特性。設(shè)計(jì)流量點(diǎn)揚(yáng)程為17.7 m，比設(shè)計(jì)揚(yáng)程高2.7 m，效率為73.83%，軸功率為9.8 kW，完全滿足設(shè)計(jì)要求。0.8 Q工況下?lián)P程為21.62 m，比設(shè)計(jì)工況高3.9 m，效率為75.95%，比設(shè)計(jì)工況高2.12%，這說(shuō)明最佳工況點(diǎn)應(yīng)該位于0.8 Q至1.0 Q工況附近。這證明該設(shè)計(jì)方法是可行的。

4 結(jié)論

（1）本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)現(xiàn)有螺旋離心泵參數(shù)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行修改和優(yōu)化，修改和優(yōu)化后的公式設(shè)計(jì)出的螺旋離心泵性能較為理想，提高螺旋離心泵的水力性能的同時(shí)，相同參數(shù)下泵的幾何尺寸也較小。

（2）提出一種基于CFturbo與SolidWorks相結(jié)合的方法，并對(duì)螺旋離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，這種方法能夠極大地提高螺旋離心泵的設(shè)計(jì)效率，使得設(shè)計(jì)人員在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出更高性能的泵。

（3）目前螺旋離心泵的進(jìn)口邊形狀和出口邊形狀對(duì)水力性能影響的研究較為缺乏，因此，可進(jìn)一步研究不同葉片出口邊形狀對(duì)水力性能的影響， 完善設(shè)計(jì)方法，建立更加完善的水力性能預(yù)測(cè)模型，為螺旋離心泵的設(shè)計(jì)提供參考。