程效銳,李敏,李天鵬

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050； 2. 甘肅省流體機械及系統(tǒng)重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

誘導(dǎo)輪通常被放置在葉輪上游的軸流段來保證離心泵獲得優(yōu)越的空化性能，在石油、化工、航天等工業(yè)領(lǐng)域要求離心泵結(jié)構(gòu)更為緊湊，故離心泵轉(zhuǎn)速趨向高速化，此時誘導(dǎo)輪內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的高效與否直接影響離心泵的穩(wěn)定運行.部分學(xué)者就誘導(dǎo)輪設(shè)計參數(shù)展開了大量研究.BAKIR等[1]通過試驗和數(shù)值模擬的方法研究了葉片前緣形狀對誘導(dǎo)輪性能的影響.莊宿國等[2]基于型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪進行設(shè)計，分析了4種型線方案下誘導(dǎo)輪能量特性和空化特性的變化規(guī)律.KARAKAS等[3]研究了誘導(dǎo)輪葉頂間隙變化對等螺距與變螺距誘導(dǎo)輪空化性能的影響規(guī)律.程效銳等[4-5]發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)輪后掠角和輪轂比對泵空化性能的影響較大.李欣等[6]發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)輪安裝螺旋靜葉后，誘導(dǎo)輪的揚程上升，效率下降，汽蝕性能得到明顯改善.盧金玲等[7]通過研究誘導(dǎo)輪時序位置對離心泵性能的影響后發(fā)現(xiàn)，揚程隨著時序位置的變化呈先增大后減小的趨勢，時序位置變化對葉輪與徑向?qū)~間的動靜干涉產(chǎn)生影響.楊敬江等[8]通過研究出口環(huán)量分布對誘導(dǎo)輪性能的影響，發(fā)現(xiàn)二次遞增型誘導(dǎo)輪在同等流量下?lián)P程最高，綜合性能最好.目前，葉片開縫技術(shù)被廣泛運用于離心葉輪中，用于改善葉輪流道內(nèi)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，很多學(xué)者就此結(jié)構(gòu)展開了研究.李隨波等[9]發(fā)現(xiàn)空間扭曲葉片開縫可改善低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能.陳紅勛等[10]通過對離心泵進行空化試驗發(fā)現(xiàn)縫隙引流葉輪較常規(guī)葉輪更為有效地抑制了空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，并減弱了離心泵的振動.王洋等[11]發(fā)現(xiàn)開縫葉片可改善低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪流道內(nèi)的流動，有效地抑制離心泵空化現(xiàn)象的產(chǎn)生.張文著等[12]發(fā)現(xiàn)大流量工況下縫隙引流葉輪離心泵壓力脈動和振動較原始離心泵均減小.

目前，學(xué)者們對離心葉輪葉片開縫技術(shù)已展開了大量的研究，文中在此基礎(chǔ)上將開縫技術(shù)引入誘導(dǎo)輪葉片，在誘導(dǎo)輪葉片靠近輪緣處設(shè)置縫隙，通過改變縫隙的設(shè)計參數(shù)，研究葉片縫隙對誘導(dǎo)輪外特性性能和空化性能的影響.

1 高速離心泵模型

1.1 物理模型

研究對象為1臺低比轉(zhuǎn)數(shù)帶前置誘導(dǎo)輪的高速離心泵，具體設(shè)計參數(shù)中，流量Q=8.48 m3/h,揚程H=600 m,轉(zhuǎn)速n=31 590 r/min,比轉(zhuǎn)數(shù)ns=46.誘導(dǎo)輪采用圓錐形變螺距結(jié)構(gòu)，其主要設(shè)計幾何參數(shù)中，進口輪轂直徑dh1=10 mm，出口輪轂直徑dh2=18 mm，葉片數(shù)Z=3，輪緣直徑Dy=40 mm，葉片進口邊后掠角Δφ=150°，葉頂間隙δ=0.3 mm.

1.2 方案設(shè)計

保證誘導(dǎo)輪葉片開縫寬度為1 mm,開縫中心徑向半徑R1=18.9 mm，通過改變誘導(dǎo)輪開縫角度βi確定各方案縫隙大小，圖1為設(shè)計方案示意圖，圖中θ為開縫起始位置與該葉片進口邊葉尖沿-ω方向夾角.不同方案下縫隙幾何參數(shù)如表1所示.

圖1 誘導(dǎo)輪葉片縫隙示意圖

表1 縫隙幾何參數(shù)

2 數(shù)值計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

高速離心泵計算域由誘導(dǎo)輪、過渡段、離心葉輪、蝸殼、進出口段組成，如圖2所示.考慮到實際流動情況，對泵進出口段分別延伸5倍直徑長度，以提高數(shù)值計算的精度.整體計算域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行劃分，并對縫隙和蝸殼隔舌等部位進行網(wǎng)格加密.同時，為確保數(shù)值模擬的準確性，采用5組網(wǎng)格對未設(shè)置縫隙的高速離心泵進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格數(shù)的增加揚程計算值相差很小，最終采用網(wǎng)格數(shù)為3.7×107.

圖2 主要過流部件網(wǎng)格示意圖

2.2 參數(shù)設(shè)置

采用CFX 15.0 對全流域進行數(shù)值模擬，湍流模型為RNGk-ε，空化模型為Rayleigh-Plesset，計算介質(zhì)為25 ℃清水，進、出口邊界條件分別設(shè)置總壓進口、質(zhì)量流量出口，通過逐步降低進口壓力使泵內(nèi)發(fā)生空化.進口處液體和氣體的體積分數(shù)分別為1和0.固體壁面邊界條件設(shè)為無滑移，近壁面采用標準壁面函數(shù)，觀察殘差小于10-5判定求解已收斂.

2.3 試驗驗證

選擇方案S1(誘導(dǎo)輪葉片未設(shè)置縫隙)高速離心泵為模型泵，進行外特性試驗驗證.圖3為高速離心泵外特性試驗驗證閉式試驗裝置.泵的揚程通過進出口壓力表讀取數(shù)值計算獲得.扭矩儀與泵軸連接，測量扭矩輸入，泵的效率根據(jù)輸出功率與輸入功率的比值得到.圖4為不同流量工況下模型泵揚程H、效率η模擬值與試驗值對比曲線.圖中Q/Qv為相對流量系數(shù).從圖中可知，數(shù)值模擬得到的揚程、效率值與試驗值變化趨勢一致，揚程模擬值與試驗值誤差不超過1%，效率模擬值與試驗值相對變化值不超過1.6%.圖5為模型泵的空化數(shù)σ試驗值與模擬值的曲線對比，最大誤差不超過2.51%，均在誤差允許范圍內(nèi)，說明文中的計算模型和數(shù)值方法具有一定的準確性.

圖3 高速離心泵試驗裝置

圖4 模型泵外特性曲線

圖5 模型泵的空化數(shù)值計算與試驗數(shù)值對比

3 高速誘導(dǎo)輪水力性能分析

3.1 高速誘導(dǎo)輪外特性曲線

圖6為各方案在不同相對流量系數(shù)下誘導(dǎo)輪的外特性曲線.由圖可知，隨著相對流量的增大，5種方案下誘導(dǎo)輪揚程隨著相對流量系數(shù)的增大逐漸下降，效率則呈上升趨勢.小流量工況下方案S2—S5(葉片設(shè)置縫隙)誘導(dǎo)輪揚程均高于方案S1，大流量工況下5種方案誘導(dǎo)輪的揚程基本持平.這是因為小流量工況下通過縫隙的引入流可帶走葉片表面的低壓流體，削弱葉片表面流動分離現(xiàn)象，故誘導(dǎo)輪的揚程和效率提高.由圖亦可知，大流量工況下誘導(dǎo)輪效率明顯下降.這是因為大流量工況下，入口主流的速度值極高，通過縫隙的引入流與主流之間的能量交換加劇，嚴重干擾了附近區(qū)域的流動狀態(tài)，導(dǎo)致誘導(dǎo)輪內(nèi)水力損失上升，效率明顯下降.

圖6 各方案誘導(dǎo)輪揚程和效率隨相對流量的變化曲線

3.2 縫隙對誘導(dǎo)輪內(nèi)部流動的影響

為觀察誘導(dǎo)輪葉頂間隙泄漏流與縫隙處引入流附近的流動情況，繪制設(shè)計工況下誘導(dǎo)輪葉片吸力面與壓力面附近的速度分布圖，如圖7所示.由圖可知，方案S1中誘導(dǎo)輪葉片壓力面流體僅通過葉頂間隙流向誘導(dǎo)輪入口上游，由于流體具有較高的速度，通過間隙時與管道壁面(管壁)發(fā)生碰撞，速度分布極其不均勻，且泄漏流與誘導(dǎo)輪入口的主流在葉片吸力面進口邊靠近輪緣的局部區(qū)域形成了穩(wěn)定的小旋渦，在此處的流體形成的旋渦不易擴散.而方案S2—S5中誘導(dǎo)輪葉片壓力面附近的流體可穿過縫隙和葉頂間隙到達誘導(dǎo)輪上游，流體對管壁的沖擊力減小，速度分布較為均勻.觀察可知，隨著縫隙的增大，管壁附近的泄漏流體流動狀態(tài)更為穩(wěn)定，但狹長旋渦區(qū)在誘導(dǎo)輪入口上游管道中出現(xiàn).這是因為隨著縫隙的增大，流體在縫隙內(nèi)的擠壓程度減輕，因而靠近管壁的流體速度分布均勻，但過大的縫隙會造成過量引入流沖向吸力面，加劇縫隙引入流和葉頂間隙回流與主流間的碰撞，形成較多的旋渦，嚴重影響了誘導(dǎo)輪上游的速度分布，且葉片未對誘導(dǎo)輪上游流體做功，對此處的流體無束縛能力，渦團的不穩(wěn)定性驟增.

圖7 誘導(dǎo)輪截面內(nèi)速度分布

4 高速誘導(dǎo)輪空化性能分析

4.1 空化特性曲線

圖8為5種方案下高速離心泵空化特性曲線.

圖8 高速離心泵空化特性曲線

由圖8可知，隨著空化數(shù)減小，泵的揚程也逐漸減小，說明高速離心泵內(nèi)部空化會造成揚程的下降，5種方案下高速離心泵的揚程與空化數(shù)的變化情況一致.據(jù)揚程變化將曲線分為以下幾個階段：① 初生空化階段(a-b)，離心泵的揚程無明顯波動；② 發(fā)展空化階段(b-c)，此時離心泵的揚程開始出現(xiàn)小幅度下降，線c時揚程已下降3%，離心泵處于臨界空化狀態(tài)(以方案S1為例)；③ 完全空化狀態(tài)(線c以左)，空化數(shù)σ繼續(xù)減小，離心泵內(nèi)發(fā)生嚴重空化，導(dǎo)致?lián)P程驟降.隨著空化數(shù)的逐漸減小，高速離心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定性劇增，造成極大的壓力損失，故揚程減小.由此可知，方案S3高速離心泵的空化性能曲線優(yōu)于方案S1,S2,S4,S5.

圖9為各方案誘導(dǎo)輪隨空化數(shù)的變化曲線.由圖可知，誘導(dǎo)輪的揚程隨空化數(shù)的減小逐漸減小.

圖9 各方案誘導(dǎo)輪揚程隨空化數(shù)的變化曲線

隨著空化數(shù)的逐漸減小，誘導(dǎo)輪內(nèi)發(fā)生空化的程度也逐漸加重，空泡不斷產(chǎn)生和潰滅，流體消耗的能量也大幅度增加，從而誘導(dǎo)輪的揚程下降.當空化數(shù)大于0.018時，誘導(dǎo)輪內(nèi)發(fā)生輕微空化，少量的空泡在發(fā)展和破裂的過程中，消耗較少的能量，揚程變化較小.當空化數(shù)小于0.018時，大量的空泡不斷向誘導(dǎo)輪出口蔓延，消耗了流體較多的能量，誘導(dǎo)輪揚程驟降.觀察σ=0.013曲線時，方案S3和S4誘導(dǎo)輪的揚程高于原方案，此時誘導(dǎo)輪仍具備一定的做功能力.

4.2 流道內(nèi)空泡分布

取空泡體積分數(shù)為10%的等值面，繪制誘導(dǎo)輪在空化數(shù)σ為0.085，0.018，0.013時流道內(nèi)空泡分布情況，如圖10所示.由圖可知，隨著空化數(shù)的減小，流道內(nèi)空泡的發(fā)展呈現(xiàn)出不同的狀態(tài).在空化數(shù)σ=0.085時，誘導(dǎo)輪葉片前緣位置最先產(chǎn)生空泡，此時為片狀空化狀態(tài)，空泡僅附著在葉片表面形成空穴，空穴尾部為閉合狀態(tài).其中，方案S2中縫隙起始位置仍存在極少量空泡位于葉片表面，方案S3，S4和S5中空泡附著在縫隙尾部，且逐漸減小最后趨于穩(wěn)定.

圖10 誘導(dǎo)輪流道內(nèi)空泡體積分布圖

當空化數(shù)σ=0.018時，方案S1和S2中，空泡聚集在葉片吸力面并向誘導(dǎo)輪葉片中部蔓延，高轉(zhuǎn)速的流體通過間隙泄漏至誘導(dǎo)輪上游進口部位，呈現(xiàn)大范圍的旋渦空化.方案S3和S4中，葉片進口葉根及表面存在附著空化,其中方案S4進口輪轂上游有極小的空化渦帶.方案S5中輪轂附近出現(xiàn)了旋渦空化，大量空泡包裹在圓錐形輪轂的進口部位，又稱為輪轂渦空化，這是由于多個葉片葉根附近的旋渦聚集至輪轂表面，促進了空化的進一步發(fā)展.

當空化數(shù)σ下降至0.013時，5種方案的誘導(dǎo)輪流道基本被空泡堵塞，但方案S3和S4誘導(dǎo)輪出口至葉輪進口(過渡段)未有空泡出現(xiàn).方案S1和S2中不僅在誘導(dǎo)輪流道內(nèi)產(chǎn)生空泡，誘導(dǎo)輪出口與葉輪進口間的過渡段也被空泡占據(jù)，葉輪葉片進口邊吸力面上出現(xiàn)空泡附著，誘導(dǎo)輪對流體的做功能力幾乎消失，誘導(dǎo)輪出口的揚程不足以為葉輪進口提供足夠的能量，導(dǎo)致葉輪入口出現(xiàn)空泡.

4.3 誘導(dǎo)輪沿軸向不同截面靜壓變化規(guī)律

圖11為誘導(dǎo)輪截面示意圖，采用切割誘導(dǎo)輪流道的方法，將誘導(dǎo)輪流道分為6個截面，并用字母A-F表示.以誘導(dǎo)輪葉片與輪轂交點為基準，作垂直于軸面間距為5.376 mm的截面，截面A位于誘導(dǎo)輪葉片與輪轂交點處，截面B穿過誘導(dǎo)輪葉片前緣，截面F位于誘導(dǎo)輪葉片出口.取臨界空化數(shù)σ=0.018時，各方案6個截面上靜壓值繪制誘導(dǎo)輪各截面靜壓分布柱狀圖，如圖12所示.由圖可知，5種方案下各截面的靜壓變化趨勢基本一致，其中截面C-F靜壓值由于不同開縫程度導(dǎo)致變化，且方案S3中，截面D，E，F(xiàn)靜壓值幾乎相等.觀察柱狀圖可知，各方案下截面C-F區(qū)域誘導(dǎo)輪流道內(nèi)靜壓均為上升趨勢，即誘導(dǎo)輪中后部位為做功的主要區(qū)域.方案S3中誘導(dǎo)輪各截面靜壓值均大于其他4組方案的截面靜壓值，誘導(dǎo)輪的做功能力最優(yōu).

圖11 誘導(dǎo)輪截面示意圖

圖12 σ=0.018時誘導(dǎo)輪靜壓分布柱狀圖

圖13為空化數(shù)σ=0.018時，各方案誘導(dǎo)輪截面B，F(xiàn)靜壓分布云圖.由圖13a可知，輪緣處壓力較葉片未進行開縫時壓力值有所上升.圖13b為截面F靜壓分布，方案S1，S2，S4和S5中誘導(dǎo)輪出口輪轂附近仍存在低壓區(qū)，這是由于輪轂附近流體的流動狀態(tài)不佳，出現(xiàn)旋渦造成局部低壓區(qū).方案S3誘導(dǎo)輪出口輪緣處出現(xiàn)高壓區(qū)，且較S1方案，其他4組方案截面F低壓所占區(qū)域均減少，高壓所占區(qū)域均增加.

圖13 不同方案誘導(dǎo)輪截面B，F(xiàn)靜壓分布

5 結(jié) 論

1) 誘導(dǎo)輪葉片入口邊靠近輪緣處設(shè)置縫隙能引起誘導(dǎo)輪流道內(nèi)壓力的變化，改變流道內(nèi)空泡的分布情況.隨著縫隙的增大，初生空化階段葉片吸力面空泡向縫隙尾部移動.合理設(shè)計縫隙的大小，可提升高速離心泵的空化性能.

2) 縫隙可減弱葉頂間隙泄漏流對管壁的沖擊，削弱葉片進口邊吸力面附近的旋渦，改善該區(qū)域的流態(tài)，但縫隙過大會導(dǎo)致誘導(dǎo)輪上游靠近管道壁面的位置形成狹長的旋渦區(qū).小流量工況下，縫隙可改善葉片表面的流動分離現(xiàn)象，誘導(dǎo)輪獲得更高的揚程.