呂云杰 易玲 李志鵬 宋夢斌 楊建業(yè)

（1.利歐集團湖南泵業(yè)有限公司 湖南湘潭 411201；2.長沙理工大學能源與動力工程學院 湖南長沙 410114）

斜流泵又名導葉式混流泵，因其具有變工況高效運行的特點而廣泛應用于各行各業(yè)。傳統(tǒng)斜流泵導葉體大多采用扭曲葉片，其制造難度大，成本高［1］。因此，單圓弧直葉片的導葉體結(jié)構(gòu)逐漸被一些公司試制，其加工工藝簡單，葉片可通過卷板或沖壓方式成型，很大程度上降低了生產(chǎn)成本［2］。如何提高焊接式直葉片空間導葉體斜流泵的效率是急需解決的一大難題。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對水泵內(nèi)部流動的研究為產(chǎn)品設(shè)計、制造提供了極大的幫助［3-7］。國內(nèi)外著名的泵業(yè)公司，如美國的ITT、德國的KSB、日本的EBARA，普遍都采用了CFD（計算流體力學）、CAD（計算機輔助設(shè)計）、CAM（計算機輔助制造）等新技術(shù)來設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品。近幾年，借助CFD 對泵內(nèi)流場的計算和校核，已出現(xiàn)逆向求解和控制速度扭矩等多種新型設(shè)計方法。本文借用Fluent，對泵的原始模型和優(yōu)化后模型進行數(shù)值計算，對計算結(jié)果進行分析，為斜流泵空間導葉體的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 優(yōu)化方案

斜流泵大多采用空間導葉體，為了解導葉體結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵性能的影響，業(yè)內(nèi)已作了一些研究［8-10］。本文選用MX350作為計算模型，并對其導葉體進行結(jié)構(gòu)改型。其原始模型結(jié)構(gòu)：外筒為圓柱形，內(nèi)筒為圓柱形和圓錐形焊接，導葉體葉片數(shù)N=9，葉片長L=170mm，葉片進口角度α=27°，葉片出口角95°，單圓弧直葉片。導葉體的葉片改型方案見示意圖1，改型數(shù)據(jù)見表1。

圖1 葉片改型方案示意圖

表1 導葉片改型方案

本文對導葉片的改型方案7 種，先改變導葉體葉片數(shù)和葉片進口角度，葉片長度170mm，再通過數(shù)值計算選擇最優(yōu)改型方案，進行葉片長度140mm和210mm改型，詳見表1。對導葉體內(nèi)筒改型1 種，把圓柱內(nèi)筒的一段改為兩段圓錐連接，如圖2所示。

圖2 導葉體內(nèi)筒改型

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算方法及邊界條件

數(shù)值計算的區(qū)域為吸入喇叭口、葉輪、導葉體、出水彎管、進出口延伸段。本文利用solidworks對計算模型進行三維建模，采用Icem對計算區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計算的精度和時間，對計算進行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終確定計算區(qū)域的全球網(wǎng)格尺寸為10，對葉片進口進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格大小為2。利用CFD 商業(yè)軟件Ansys-CFX 對泵進行定常數(shù)值計算，介質(zhì)為清水，邊界條件：進口采用質(zhì)量進口邊界（mass-flow-inlet），出口采用自由出流邊界（outflow），各計算區(qū)域間交界面采用interface，近壁面采用wall。計算區(qū)域采用兩種坐標系，葉輪為旋轉(zhuǎn)坐標系，轉(zhuǎn)速為1480r/min，其他流道采用靜止坐標系。

2.2 模型泵數(shù)值計算結(jié)果

對模型泵各工況點進行定常流分析，可得出泵內(nèi)流體的流動狀況，并對泵進行性能分析。圖3和圖4分別為泵內(nèi)部Z=0時流場的速度矢量圖和總壓分布。

圖3 速度分布

從速度矢量圖3 中可以看出，在葉輪離心力的作用下，流體進入喇叭口后流速增加，經(jīng)過葉輪進入導葉體內(nèi)，流體受流道壁面的作用，流速下降。從流體的流動情況看，流體在泵的葉輪內(nèi)流動順暢、均勻，進入導葉體后，流體流動不均，并存在較大漩渦。從圖4可以看出，由于電機對葉輪做功，轉(zhuǎn)化為葉輪對流體做功，所以泵內(nèi)流體的總壓從泵進口逐漸增大，到葉輪出口總壓達到最大值，隨后由于流道壁面對流體的阻力做功使流體總壓減少。圖5 為葉輪葉片上的壓力分布圖，從圖中可知，葉片上壓力分布均勻，工作面的壓力明顯高于背面。在葉片的進口處，存在較小的低壓區(qū)，也稱為汽蝕易發(fā)區(qū)域。

圖4 總壓分布

圖5 葉輪葉片壓力分布圖

綜上所述。導葉體結(jié)構(gòu)缺陷是泵效率偏低的原因之一，優(yōu)化導葉體的結(jié)構(gòu)是提高泵效率的有效途徑。

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，對模型泵進行性能試驗測試，得出泵0.7Q、1Q、1.2Q這3 個流量點的性能參數(shù)，與模擬所得數(shù)據(jù)進行對比，見表2。

從表2 可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗所得數(shù)據(jù)趨勢相近，在數(shù)值計算過程中忽略泵的容積損失和機械損失，隨著泵流量的增加，泵的容積損失和機械損失增加，因此，流量增大數(shù)值計算和測試之間差距會增大，所以數(shù)值計算結(jié)果具有參考性。同時，數(shù)據(jù)顯示，3個工況點中，1.2Q的軸功率低于1Q，效率大于1Q，降低電機發(fā)生過載的可能性，使泵高效點偏大流量。

2.3 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬結(jié)果及對比

通過fluent對優(yōu)化泵進行3個工況點的數(shù)值計算，得出表3中的性能參數(shù)。

結(jié)合表2和表3的數(shù)據(jù)，對導葉體葉片進行結(jié)構(gòu)改型的方案中，相同工況條件下，當葉片進口角度和葉片長度相同時，葉片數(shù)為9片的水泵效率高于葉片數(shù)為11片的水泵效率。當葉片長度都為170mm時，葉片進口角度為23°時，泵額定工況點的效率最高，值為81.56%。當葉片數(shù)為9片、葉片進口角度為23°時，導葉片長度為210mm，泵額定點的效率最高，值為82.32%。最終得出，導葉片改型方案中，導葉片數(shù)為9片、葉片進口角度為23°、葉片長度為210mm時，泵的效率最高。導葉體結(jié)構(gòu)改型的方案中，改變導葉體內(nèi)筒結(jié)構(gòu)使泵的效率提升幅度最大，泵效率值為83.31%。

表2 性能參數(shù)對比

表3 性能參數(shù)表

為了能直觀地了解各方案中，導葉體內(nèi)流體的流動情況，本文給出原始模型、葉片改型最優(yōu)模型（導葉片數(shù)為9 片，葉片進口角度為23°，葉片長度為210mm）、內(nèi)筒改型模型這3種方案額定工況點的速度矢量分布圖和導葉片上湍動能分布圖。圖6為速度矢量分布圖，圖中導葉體內(nèi)筒邊緣流體的流速小于外筒邊緣流體的流速，并且速度從進口到出口逐漸減少，對圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）導葉體內(nèi)流體流動情況進行對比，得出改型方案中的流體流動逐漸順暢，進口處的漩渦區(qū)域逐漸減少。

圖6 導葉體內(nèi)速度矢量圖

葉片上的湍動能主要存在于葉片進口處，其值大小的主要因素是葉片的進口角度。從圖7導葉片上的湍動能分布可知，原始模型導葉片進口的湍動能最大，內(nèi)筒結(jié)構(gòu)改型次之，且分布較前者均勻。而導葉片改型最優(yōu)方案中的導葉片進口湍動能最少，也最為均勻。

圖7 導葉片上的湍動能分布

3 結(jié)語

（1）適當?shù)娜~片數(shù)能對流體起引流作用，但葉片數(shù)過多會增加葉片對流體阻力，從而使泵的效率下降。當導葉體葉片數(shù)由9 片增加為11 片時，導葉片對流體的引導作用少于葉片對流體的阻力，泵的效率下降。

（2）當葉片進口角度等于設(shè)計流量下的相對液流角加上一個不大的沖角時，使液流速度方向與葉片進口方向一致，這樣葉片對流體的沖擊損失和擾動最少。從數(shù)值模擬的結(jié)果中可知，導葉片進口角度23°較27°、31°，葉片對流體的沖擊少，葉片進口處的流體湍動能最少。

（3）葉片對流體進行導流，葉片的長度決定流體流動是否順暢，但葉片過長也是流體流動的阻力。改型方案中葉片長度增加為210mm，泵的效率提高；減少為140mm，泵的效率減少。

（4）對導葉體的內(nèi)筒進行錐形改型，導葉體進口處的流動漩渦減少，流體流動更加順暢，同時，在所有改型方案中效率提高幅度最大。