張金鳳，金成明，楊志軍，施衛(wèi)東，宋海勤，賴良慶

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2. 南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226000)

現(xiàn)有的立式長軸泵由于規(guī)格偏小而不能滿足大型消防工程大流量高揚程的供水要求.為提高消防泵的綜合性能，國內外學者進行了大量研究.翟魯濤等[1]研究發(fā)現(xiàn)，通過V形切割葉輪外徑，可使泵在小流量工況下的揚程得到提高.QUTUB等[2]對比分析V形切割和原始直出口的2種不同葉輪，發(fā)現(xiàn)V形切割葉輪可以降低離心泵因動靜干涉作用而引起的壓力脈動.莊海飛等[3]針對絞吸挖泥船短排距施工工況，結合CFD數(shù)值模擬對泥泵葉輪進行葉片改型優(yōu)化，在減少葉片數(shù)的同時,將圓柱葉片改型為三維扭曲葉片，模擬清水效率達到83%，與切割葉輪相比，清水效率提高18%.張憶寧等[4]研究表明離心泵內壓力脈動呈周期性，當葉片出口角β2=16°，20°時,葉輪出口壓力脈動強度較大，隨著β2增大，導葉和蝸殼內壓力脈動均逐漸增強，且導葉內壓力脈動強度大于蝸殼，不同葉片出口角下，導葉及蝸殼內脈動主頻均為葉頻.王鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)增大切割葉輪傾斜角度，葉輪出口處及蝸殼內的高壓區(qū)梯度擴散和壓差均遞減，當切割角度為15°時，葉輪出口壓力梯度分布最均勻.代翠等[6]對2組不同傾斜角度的離心泵作透平進行水力性能試驗，發(fā)現(xiàn)傾斜葉片可以保持透平的原有水力性能.張朝彬[7]通過改變葉輪葉片出口邊傾斜角度，發(fā)現(xiàn)在小流量工況下，隨著傾角逐漸增大，泵的揚程下降率逐漸增大，而在大流量下，隨著傾角增大，泵的揚程先逐漸增大后降低.何敏[8]以雙吸泵為研究對象，對出口傾斜角度分別為0°，12°和18°的3種葉輪方案進行全流道不可壓縮非定常流動數(shù)值模擬，結果表明，葉輪出口傾斜角度為12°時水泵性能最佳.操瑞嘉等[9]對艦船用泵傾斜出口邊葉輪研究發(fā)現(xiàn)，出口邊傾斜布置相較于傳統(tǒng)的出口邊垂直布置可以有效改善葉輪的徑向力特性.萬倫等[10]對離心泵不同葉輪出口寬度進行研究，發(fā)現(xiàn)揚程隨出口寬度的增大而增大，且存在最佳葉輪出口寬度使高效率點向大流量點偏移.趙偉國等[11]對5組不同出口寬度的葉輪進行研究發(fā)現(xiàn)，存在一個最佳出口寬度使流動損失最小.周林玉[12]研究表明在不同工況下，葉輪出口處的壓力脈動幅值均最大，大流量偏離工況下離心泵內部各部分壓力脈動特性與設計工況基本相同，只是脈動幅值略有增大；當工況小于0.6Qd時，壓力脈動明顯比設計工況劇烈.以上通過改變葉輪出口傾斜角度研究泵的性能，但并未保證葉輪出口寬度不變.

文中以XB4.3/240-300LC型立式長軸消防泵為研究對象，在保證葉片出口寬度等幾何參數(shù)不變的前提下，設計多種不同葉輪出口傾斜角度方案，應用計算流體動力學方法對泵進行全流道數(shù)值模擬，分析不同葉輪傾斜出口對泵的外特性及內流特性的影響規(guī)律.

1 數(shù)值計算及試驗驗證

1.1 計算模型

XB4.3/240-300LC型立式長軸消防泵設計性能參數(shù)分別為流量Qd=864 m3/h，揚程H=43.3 m，轉速n=1 485 r/min，比轉數(shù)ns=157；幾何參數(shù)分別為葉輪外徑D2=383 mm，葉片數(shù)Z=6，葉輪進口直徑Dj=209 mm，葉輪出口寬度b2=58.7 mm，葉輪葉片進口安放角β1=25°，出口安放角β2=45°，葉片包角ψ=96.4°.模型泵過流部件包括進出口段、葉輪、泵腔及空間導葉等，采用三維造型軟件Pro/E進行建模，如圖1所示.

圖1 泵三維模型Fig.1 Three-dimension model of pump

1.2 網(wǎng)格劃分

對泵模型水體采用四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分并對局部網(wǎng)格加密處理，計算域網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 計算域網(wǎng)格Fig.2 Computational domain grid

經網(wǎng)格無關性分析，最終選取總網(wǎng)格數(shù)777萬進行數(shù)值計算.各過流部件網(wǎng)格數(shù)分別為葉輪193萬，空間導葉254萬，泵腔75萬，泵進口段89萬，泵出口段166萬.

1.3 湍流模型及邊界條件

應用計算流體動力學軟件ANSYS-CFX17.0對泵全流道進行數(shù)值模擬.文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)，采用SST模型模擬的泵揚程和效率與試驗值相比偏差均較小，故文中選取SST模型.葉輪與其他部件交界面設置為“Frozen rotor”，網(wǎng)格連接方式定義為“GGI”模式.進口邊界條件設置為壓力進口，出口邊界條件設置為質量流量出口，壁面采用無滑移邊界條件.對于定常數(shù)值模擬，動量方程對流項的離散格式設定為迎風格式，計算收斂精度設為10-5.對泵在6個流量(0.65Qd，0.80Qd，1.00Qd，1.20Qd，1.40Qd和1.50Qd)工況下進行穩(wěn)態(tài)模擬，其中0.65Qd工況因偏離設計工況較遠，模擬計算收斂精度未達到10-5.

1.4 試驗驗證

圖3為CFD數(shù)值計算得到揚程和效率與試驗結果對比，可以看出：數(shù)值計算和試驗得到泵揚程和效率曲線基本吻合；整體上，計算效率大于試驗效率，在小流量工況下，計算效率偏差較大；計算揚程在小流量工況下比試驗揚程偏小，而在大流量工況下計算揚程偏差較大.

圖3 CFD模擬與試驗性能比較Fig.3 Comparison of CFD simulation and test performance

對CFD數(shù)值計算及試驗數(shù)據(jù)進行誤差分析，如表1所示，表中eH,eη分別為揚程、效率誤差.可以看出：整體上，效率誤差小于10%，在設計工況點及大流量工況下誤差較小，在1.00Qd工況處效率誤差為3.17%，最小誤差在1.40Qd工況，為1.30%；揚程誤差在設計工況下較小，為-1.27%，在大流量工況下?lián)P程誤差偏大.究其原因主要為建模簡化，未考慮間隙、腔體和平衡孔等結構影響以及容積損失及圓盤摩擦損失等.

表1 CFD數(shù)值計算誤差分析Tab.1 Prediction error analysis of CFD simulation

綜上所述，CFD數(shù)值計算和試驗得到泵揚程和效率誤差不大，滿足工程實際要求，這表明文中所采用的數(shù)值計算方法是可靠的.

2 方案設計

根據(jù)歐拉方程可知，葉輪出口速度對揚程變化影響較大，即改變葉輪出口傾斜角度，必將改變葉輪出口速度進而影響葉輪揚程等性能參數(shù).歐拉方程為

Hth=(Cu2U2-Cu1U1)/g，

(1)

式中：U1為葉輪進口圓周速度；Cu1為葉輪進口絕對速度圓周分量；U2為葉輪出口圓周速度；Cu2為葉輪出口絕對速度圓周分量.

應用CFturbo軟件繪制葉輪水體.在繪制葉輪軸面投影時，選擇Bezier曲線.在保證葉片包角、進出口安放角、葉輪出口寬度、葉輪出口中間位置到葉輪進口軸向距離以及到旋轉軸的徑向距離、出口過流斷面面積、葉片進口邊與前蓋板流線的交點徑向坐標值均不變的條件下，改變葉輪出口傾斜角度θ，每隔5°傾斜一次，得到θ=0°，5°，10°，15°，20°和25°共6種葉輪出口傾斜方案，如圖4所示.

圖4 葉輪出口傾斜方案Fig.4 Design of impeller inclined outlet

改變葉輪出口傾斜角度勢必影響過流斷面面積，在調整葉輪出口傾斜角度時應保持過流斷面面積曲線光滑.各方案過流斷面面積A變化規(guī)律如圖5所示，圖中橫坐標l為葉輪軸面投影的中間流線長度.

圖5 不同傾斜角度時過流斷面面積變化規(guī)律Fig.5 Variation rule of cross-sectional areas at diffe-rent inclined angles

不同葉輪出口傾斜方案環(huán)形空間內外輪廓線與葉輪出口和導葉進口交點坐標(Z，R)如表2所示，其中Z，R分別表示軸向、徑向.在CFturbo中通過Bezier曲線繪制各方案環(huán)形腔體內外兩側曲線，腔體進口與葉輪出口的前后蓋板流線相切，其出口則與導葉進口內外兩側曲線相切.

表2 環(huán)形空間進出口邊點坐標Tab.2 Coordinates of entrance and exit points of annular space

3 泵外特性預測

基于ANSYS-CFX數(shù)值計算預測得到不同方案的泵特性曲線與葉輪出口傾斜角θ=0°方案試驗值相比較，結果如圖6所示.

圖6 各方案CFD性能預測Fig.6 CFD performance prediction of various schemes

由圖6可以看出:隨著葉輪出口傾斜角度的增大，泵揚程相對于葉輪出口傾斜角θ=0°在小流量工況下提升幅度較小，在大流量工況下均呈現(xiàn)增長趨勢；效率變化趨勢與揚程趨勢基本一致，在大流量工況下，效率提升幅度較大，在1.20Qd～1.50Qd工況下，葉輪出口傾斜角度θ=15°時效率較佳.

為對不同葉輪出口傾斜的泵的外特性進行定量對比分析，基于葉輪出口傾斜角θ=0°常規(guī)設計方案性能的預測值，定義各方案揚程變化率rH和效率變化率rη分別為

(2)

(3)

式中：Hx和ηx分別為不同方案數(shù)值計算的揚程和效率；H0和η0分別為原始方案數(shù)值計算的揚程和效率.

表3為各方案相對于葉輪出口傾斜角θ=0°方案的揚程變化率rH和效率變化率rη.

表3 各方案揚程變化率rH和效率變化率rηTab.3 Head change rate rH and efficiency change rate rη of each scheme

由表3可以看出：整體上，葉輪傾斜出口對泵的外特性影響很大；在0.80Qd～1.40Qd工況下，揚程變化趨勢基本保持一致，rH隨葉輪出口傾斜角θ增大單調遞增；在1.50Qd工況下，rH隨葉輪出口傾斜角θ增大先增大后減小，當葉輪出口傾斜角θ=15°時揚程變化率出現(xiàn)峰值；在0.80Qd工況下，葉輪出口傾斜角θ=25°方案揚程相對于葉輪出口傾斜角θ=0°方案揚程計算值增大7.20%；在1.20Qd工況下，葉輪出口傾斜角θ=15°方案與θ=20°，25°方案相比其揚程變化率增量相近，約為9%；在1.00Qd～1.50Qd工況下，效率變化率rη隨葉輪出口傾斜角θ的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢；在設計工況1.00Qd下，葉輪出口傾斜角θ=10°方案的效率最高.

綜上所述，隨著葉輪出口傾斜角增大，泵揚程和效率均有提高，在設計流量工況下，當θ=15°時，泵的揚程和效率較原始方案分別提高5.95%和1.19%.在偏大流量工況下，當傾斜角θ=15°時,泵揚程和效率增幅達到極值，傾斜角度繼續(xù)增大，二者不會再增大，反而會減小.

4 泵內部流動特性分析

4.1 葉輪出口速度

對各方案葉輪出口速度進行分析，提取葉輪軸面投影中間流線所在環(huán)面位置R/R2=0.95(R2為葉輪出口半徑)處絕對速度的圓周分量Cu2和徑向分量Cr2，并采用葉輪出口圓周速度U2進行量綱一化.

圖7為3種流量工況下各方案在R/R2=0.95位置處絕對速度的圓周分量Cu2對比，以葉輪出口傾斜角θ=0°方案Cu2與U2比值的均值作為參考，以此觀察圓周分量在流道內的分布情況.

圖7 R/R2=0.95處絕對速度的圓周分量Cu2Fig.7 Circumferential component Cu2 of absolute velocity at R/R2 =0.95

由圖7可以看出:對于不同葉輪出口傾斜方案，整體上，Cu2均值隨流量的增大逐漸遞減，傾斜角θ越大，其峰谷差值越明顯.在大流量工況下分布規(guī)律越明顯；在小流量工況下，圓周分量Cu2沿旋轉方向分布變化較大，不同葉輪出口傾斜角度方案Cu2沿各流道出口分布也有所不同；在大流量工況下，各個流道出口處Cu2的分布趨勢類似，從葉片工作面到背面，Cu2值先減小后增大;在0.65Qd工況下，各方案Cu2峰值基本保持在0.80附近，隨葉輪出口傾斜角度θ增大，Cu2值在各流道中的分布差異性更明顯，分布越紊亂，當θ=20°，25°時，同方案各流道出口中間位置其值相差較大；在1.00Qd工況下，不同葉輪出口傾斜角方案下，Cu2值在各流道出口處的分布差異性相對于0.65Qd工況更小，在個別流道中略有差異，各方案量綱一化比值的峰值基本保持在0.680附近，θ值越大，同方案各流道出口中間Cu2相差越大.在1.50Qd工況下，不同葉輪出口傾斜角方案下，Cu2值在各流道出口處的分布幾乎一致，且葉片工作面處的Cu2均值高于葉片背面.根據(jù)歐拉方程，葉輪出口處絕對速度的圓周分量Cu2均值隨流量的增大而降低，從而引起揚程降低.

各方案Cu2與U2比值的均值如表4所示，可以看出，其均值隨流量增大均呈遞減趨勢，隨著傾斜角度變化在大流量工況下變化明顯.

表4 各方案Cu2/U2均值Tab.4 Average value of ratio of Cu2/U2 in each scheme

圖8為3種工況下各方案R/R2=0.95位置處絕對速度的徑向分量Cr2對比，同樣以葉輪出口傾斜角θ=0°方案Cr2與U2比值的均值作為參考，以此觀察徑向分量在流道內的分布情況.

圖8 R/R2=0.95處絕對速度的徑向分量Cr2Fig.8 Radial component Cr2 of absolute velocity at R/R2= 0.95

由圖8可以看出：對于不同出口傾斜角方案，整體上，隨著傾斜角θ增大，徑向速度分量分布變差，峰谷差值較明顯，但相對于圓周分量變化幅度較??；不同工況下，Cr2在各流道中分布不同，與絕對速度圓周分量Cu2變化趨勢類似，從葉片工作面到背面，Cr2值先減小后增大；在小流量工況下，Cr2分布規(guī)律較差，流道出口值變化較小，且隨著葉輪出口傾斜角度的增大，各流道Cr2值變化較大；在0.65Qd工況下，在葉輪出口處Cr2值從葉片工作面到葉片背面表現(xiàn)為先平緩下降后迅速增大，隨著傾斜角θ值增大，Cr2分布規(guī)律性變差，部分流道出口中間位置Cr2為負值出現(xiàn)回流現(xiàn)象；在1.00Qd工況下，Cu2的量綱一化比值分布趨勢和0.65Qd工況的類似；在1.50Qd工況下，葉片出口附近工作面的Cr2值低于背面的，θ值變化對其幾乎無影響；從小流量到大流量，Cr2由存在負值變化到全為正值，其均值變化范圍較小.

各方案Cr2與U2比值的均值如表5所示，可以看出，Cr2與U2比值的均值在相同流量下變化幅度較小，且隨流量的增大均遞增.

表5 各方案Cr2/U2比值均值Tab.5 Average value of ratio of Cr2/U2 in each scheme

4.2 葉輪內部流動特性

葉輪傾斜出口對泵外特性影響較大，傾斜角θ=15°時，泵揚程和效率在設計流量和大流量工況下較佳，文中選取3種傾斜角方案(θ=0°，15°，25°)進行葉輪內部流場分析.對各方案葉輪葉片區(qū)域進行葉展，提取葉展系數(shù)span=0.5位置的速度數(shù)據(jù)，如圖9所示.

圖9 不同工況下葉輪內速度分布Fig.9 Velocity distribution of impeller under different working conditions

由圖9a可以看出，在0.65Qd工況下，3種方案葉片背面的流速大于工作面的，在葉片工作面葉片相對長度L=0.5附近，各流道均出現(xiàn)低速區(qū)，即沿工作面進口至出口速度變化趨勢先減小后增大，葉片背面速度呈降低趨勢，速度分布基本相似.

由圖9b可以看出，在1.00Qd工況下，3種方案葉片工作面在葉片相對長度L=0.5附近均出現(xiàn)低速區(qū)，原始方案葉輪葉片工作面低速區(qū)范圍較小，當葉輪出口傾斜角θ=25°時，部分葉片進口前緣處就存在低速區(qū)，隨著葉輪傾斜角增大，其部分流道內的低速區(qū)范圍逐漸擴大.

由圖9c可以看出，在1.50Qd工況下，3種方案葉輪葉片工作面速度比其他2個工況下相對較高，表明此處壓力低于氣壓2個工況，原始方案葉片背面在葉片相對長度L=0.6附近出現(xiàn)高速區(qū)，葉輪出口傾斜角θ=15°方案葉片背面未出現(xiàn)高速度的區(qū)，葉輪出口傾斜角度θ=25°方案在個別葉片背面出現(xiàn)小范圍的高速區(qū).

圖10為不同工況下3種葉輪出口傾斜角方案時泵腔環(huán)形空間內湍動能分布，可以看出：在小流量工況下，隨著葉輪出口傾斜角增大，靠近環(huán)形空間出口面下半部分湍動能較大，傾斜角θ=15°方案表現(xiàn)尤為明顯；在設計工況下，環(huán)形空間進口靠近葉輪后蓋板湍動能程度較為劇烈；在大流量工況下，湍動能在環(huán)形空間內部表現(xiàn)出隨傾斜角的增大逐漸減小的趨勢.

圖10 不同工況下泵腔環(huán)形空間內湍動能分布Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy in annular space of pump under different working conditions

圖11為不同工況下3種葉輪出口傾斜角方案時泵空間導葉內湍動能分布，可以看出：在小流量工況下，在導葉進口處流道湍動能較大，3種方案湍動能分布相似；在設計工況下，傾斜角θ=0°方案湍動能在導葉進口和葉片出口相對其他方案有明顯規(guī)律分布，傾斜角度越大，湍動能在部分流道內越大；在大流量工況下，3種方案湍動能有相似分布規(guī)律，均在導葉體進口和導葉葉片出口有分布.

圖11 不同工況下空間導葉內湍動能分布Fig.11 Distribution of turbulent kinetic energy of space guide vane under different working conditions

綜上所述，保證葉輪出口寬度不變，改變葉輪出口傾斜角度，對葉輪、環(huán)形空間及空間導葉內部湍動能分布均有不同程度影響.

5 結 論

在保證葉輪出口寬度等幾何參數(shù)不變的情況下，分析葉輪出口不同傾斜角度對長軸消防泵內流場的影響，得到結論如下：

1) 改變葉輪出口傾斜角度，在大流量下，揚程和效率提升更明顯.當葉輪出口傾斜角度達到15°時，揚程和效率出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加傾斜角度，揚程和效率反而會下降.

2) 葉輪出口絕對速度圓周分量和徑向分量在不同工況下有不同的分布規(guī)律.大流量工況下，兩分量分布有較好的一致性，葉輪出口傾斜角度對其影響較小.小流量工況下，各方案兩分量在流道內分布規(guī)律較差，在各個流道有明顯的差異.

3) 葉輪傾斜出口對環(huán)形空間及空間導葉內部湍動能分布有不同影響.小流量工況下，在導葉進口處，流道內湍動能較大.大流量工況下，湍動能分布規(guī)律較為相似.