出口環(huán)量分布對(duì)混流泵性能的影響

　　為了提高設(shè)計(jì)過程中對(duì)混流泵性能的可控制程度，開展了出口環(huán)量分布規(guī)律對(duì)混流泵性能的影響研究�；�于三元反設(shè)計(jì)理論，將環(huán)量Vur 在軸面流線方向上的偏導(dǎo)數(shù)作為載荷分布的控制參數(shù)，根據(jù)出口環(huán)量分布規(guī)律的不同設(shè)計(jì)了平均型、遞增型和遞減型3 個(gè)混流泵葉輪。基于雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程、SST 湍流模型和多重參考坐標(biāo)系模型對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)泵的效率、空化、葉輪出口的總壓及軸面速度沿葉高的分布規(guī)律進(jìn)行比較與分析。結(jié)果表明：遞增型泵效率最高但空化最差，遞減型泵性能正好相反;基于變出口環(huán)量分布的三元反設(shè)計(jì)方法能有效控制葉片不同葉高處的做功能力，遞增型葉輪出口的總壓和軸面速度隨半徑增加而增加的速度最快。

　　混流泵越來越廣泛的被應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但混流泵的開發(fā)與離心泵和軸流泵相比，還有較大差距。環(huán)量Vur 作為葉片載荷的控制參數(shù)，其分布規(guī)律對(duì)混流泵性能有重要影響。近些年來有較多的研究是在葉輪設(shè)計(jì)完成后再通過葉片形狀參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，但在設(shè)計(jì)過程中就通過載荷參數(shù)的合理分配以得到性能優(yōu)良的混流泵的研究卻鮮見報(bào)道。現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)者對(duì)環(huán)量Vur 的分布規(guī)律缺少經(jīng)驗(yàn)，往往需要大量的試驗(yàn)修正才能得到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　為了提高設(shè)計(jì)過程中對(duì)混流泵性能的可控制程度，很有必要開展出口環(huán)量Vur 的分布規(guī)律對(duì)混流泵性能影響的研究。文中以比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449的混流泵葉輪設(shè)計(jì)為例，在給定軸面流道形狀和葉片導(dǎo)邊、隨邊位置的前提下，采用不同的出口環(huán)量Vur 分布規(guī)律設(shè)計(jì)出了3 型葉輪。通過對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，比較和分析出口環(huán)量Vur分布規(guī)律對(duì)泵的效率、空化、出口總壓和出口軸面速度分布特性的影響。

1、葉輪出口環(huán)量分布表示形式

　　葉片三元反設(shè)計(jì)的基本思想是：在葉輪內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定、無粘性且不可壓縮的假定前提下，把其內(nèi)部的三維流動(dòng)分解為周向平均流動(dòng)和周向脈動(dòng)流動(dòng)，用置于葉片中心面上的渦代替葉片對(duì)流場(chǎng)的作用，葉片形狀以滿足流動(dòng)邊界條件而迭代確定。

　　本文設(shè)計(jì)的混流泵參數(shù)為： 流量Q=0.57m3/s，揚(yáng)程H=34.7m，轉(zhuǎn)速n=2330r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449。在葉片設(shè)計(jì)過程中需要指定以下條件：

　　(1)葉輪的軸面輪廓，包括輪轂、輪緣和葉片的進(jìn)、出口邊。文中葉輪的軸面輪廓如圖1所示， 進(jìn)口直徑D1=266mm ， 出口直徑D2=334mm。

圖1 葉輪軸面輪廓

1.出口邊 2.輪緣 3.進(jìn)口邊 4.輪轂

　　(2)從輪轂到輪緣的各條軸面流線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)扭角的分布規(guī)律。文中設(shè)定各軸面流線上出口點(diǎn)的扭角都為0°，即葉片隨邊與輪轂、輪緣曲面垂直。

　　(3)葉厚分布。按照有較好抗汽蝕性能的NACA16 翼型厚度變化規(guī)律進(jìn)行葉片加厚。

　　(4)葉片的載荷沿軸面流線的分布。葉片的載荷(即葉片壓力面與吸力面的壓力差)與Vur在軸面流線方向上的偏導(dǎo)數(shù)密切相關(guān)，它們滿足關(guān)系式

　　式中：Vm—軸面平均速度;Vu—周向平均速度;p+、p-—葉片壓力面、吸力面的靜壓;B—葉片數(shù);m—軸面流線相對(duì)位置，m=0 表示導(dǎo)邊，m=1表示隨邊。因此給定載荷分布規(guī)律即是給定( ) / u V r m沿軸面流線的分布規(guī)律。通常將Vur除以ωr2s2 作無量綱化處理，其中r2s 為葉片隨邊輪緣處的半徑。葉片載荷沿軸面流線的分布理論上要滿足以下原則：

　　文中采用對(duì)稱軸相同的兩段拋物線來描述載荷沿軸面流線的分布規(guī)律，各條流線上葉片最大載荷都位于m=0.2 處，由此積分可得到相應(yīng)的環(huán)量沿軸面流線的分布，如圖2 所示。

圖2 載荷沿軸面流線的分布

結(jié)論

　　(1)采用出口環(huán)量分布規(guī)律作為混流泵設(shè)計(jì)的控制參數(shù)是合理的，它能改變?nèi)~片上不同葉高處的做功能力，這樣可有效提高設(shè)計(jì)過程中對(duì)泵性能的可控制程度。

　　(2)出口環(huán)量分布形式對(duì)所設(shè)計(jì)混流泵的效率和空化性能有重要影響，遞增型泵效率最高但不利于保證空化性能。工程中，往往需要根據(jù)葉輪的應(yīng)用場(chǎng)合而對(duì)泵的效率和空化性能做出合理取舍，才能正確的分配葉輪出口的環(huán)量。

　　(3)CFD 技術(shù)可對(duì)新設(shè)計(jì)泵的性能進(jìn)行快速預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，并為改變?cè)O(shè)計(jì)過程中的環(huán)量分布等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)泵性能的優(yōu)化提供合理建議。