混流泵葉輪設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)分析
基于正反問題迭代設(shè)計(jì)方法，通過(guò)給定不同的速度矩分布規(guī)律、葉片進(jìn)出口邊位置等關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)了一系列混流泵葉輪。在此基礎(chǔ)上，基于SIMPLEC 算法，通過(guò)求解Naiver-Stokes 方程和RNG k - ε 湍流模型方程，模擬了葉輪內(nèi)的三維湍流流場(chǎng)，獲得了采用不同關(guān)鍵參數(shù)時(shí)葉輪內(nèi)的速度與壓力分布。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)針對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于葉輪設(shè)計(jì)的影響。結(jié)果表明：基于類拋物型速度矩分布規(guī)律設(shè)計(jì)的葉片對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)方向的控制能力最強(qiáng)，具有最優(yōu)的水力性能；葉片進(jìn)、出口邊軸面距離適當(dāng)增大有利于改善內(nèi)部流動(dòng)，水力效率可獲得提升，但當(dāng)距離過(guò)大時(shí)，會(huì)因表面摩擦損失增加導(dǎo)致效率下降。
混流泵是一種廣泛應(yīng)用于污水處理、水利水電工程、電站循環(huán)水系統(tǒng)等方面的泵型。其介于離心泵與軸流泵之間，有效地吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)。然而，目前混流泵設(shè)計(jì)過(guò)程中一些關(guān)鍵參數(shù)( 如：速度矩分布規(guī)律、葉片進(jìn)出口邊位置等) 的給定較多依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。本文基于正反問題迭代設(shè)計(jì)方法，通過(guò)給定不同參數(shù)設(shè)計(jì)了一系列混流泵葉輪，并通過(guò)模擬不同參數(shù)下葉輪內(nèi)的三維流流場(chǎng)，分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)葉輪設(shè)計(jì)的影響，為設(shè)計(jì)工作提供了有益的借鑒。
1、混流泵葉輪設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在計(jì)算軸面速度時(shí)，在一定假設(shè)下，采用軸面流線迭代法，求解軸面速度沿任意準(zhǔn)正交線的梯度方程。然而，這種計(jì)算方法滿足過(guò)流通道內(nèi)流體的連續(xù)方程。為使軸面流場(chǎng)同時(shí)滿足葉輪內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程與運(yùn)動(dòng)方程，本文通過(guò)S1與S2流面迭代計(jì)算求解軸面流場(chǎng)，控制方程為：
式中：τ為葉片的排擠系數(shù)；W 為流體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度矢量；C 為流體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度矢量，F(xiàn) 為單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力；Er為單位質(zhì)量流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。
兩類相對(duì)流面迭代計(jì)算收斂后，得到軸面速度分布，采用逐點(diǎn)積分法完成葉片骨線繪型，在保角變換平面內(nèi)對(duì)葉片骨面進(jìn)行加厚，并對(duì)葉片頭部及尾部進(jìn)行修圓，完成新一輪葉輪的反問題設(shè)計(jì)。正反問題迭代設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：①基于傳統(tǒng)的二元理論設(shè)計(jì)初始葉輪。②進(jìn)行正問題計(jì)算，得到同時(shí)滿足流體連續(xù)方程與運(yùn)動(dòng)方程的軸面流場(chǎng)。③基于正問題計(jì)算所得的軸面速度分布完成反問題設(shè)計(jì)，得到新的葉輪。重復(fù)步驟②、③，直到前后兩輪反問題設(shè)計(jì)所得葉片的軸面截線最大位置偏差滿足要求。本文選取混流泵葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量0. 54m3 /s，揚(yáng)程25m，轉(zhuǎn)速1450r /min。
結(jié)論
1) 基于類拋物型速度矩分布規(guī)律設(shè)計(jì)的葉片對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的控制能力強(qiáng)，有效地避免流動(dòng)分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善了葉輪內(nèi)部流動(dòng)，并提升了葉輪的水力性能。相比S 型和類直線型速度矩分布規(guī)律，類拋物型分布規(guī)律具有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)是速度矩的一種最優(yōu)分布形式。
2) 葉片出口邊位置的選擇對(duì)于葉輪水力性能有重要的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著葉片出口邊與進(jìn)口邊軸面距離增大，葉輪水力效率會(huì)得到提升，但增幅會(huì)逐漸減小。當(dāng)進(jìn)出口邊距離增大到一定程度時(shí)，葉片包角過(guò)大，導(dǎo)致表面摩擦損失急劇增加，水力效率反而會(huì)下降。
3) 葉片進(jìn)口邊位置在一定范圍內(nèi)適當(dāng)前移，有利于改善葉輪內(nèi)部壓力分布，可以提升葉輪水力效率。但進(jìn)口邊前移距離過(guò)大時(shí)，進(jìn)出口邊在輪轂所截軸面流線過(guò)長(zhǎng)，葉片軸面投影面積過(guò)大，反而會(huì)導(dǎo)致葉輪水力效率下降。
