混流泵叶轮和导叶数量匹配分析

发布时间：2020-11-11 20:56

　　 叶轮和导叶数量的合理匹配是保证大型调水工程泵站和泵装置高效、稳定运行的重要因素。为了研究某混流泵叶轮与导叶数量匹配优化问题,采用计算流体力学方法,分别计算叶轮叶片数Z_1和导叶叶片数Z_2共12种匹配方案,每种方案均计算0. 8Q_0、Q_0和1. 2Q_0这3种流量,并通过模型试验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明:改变叶轮叶片数时,不同流量工况下混流泵的水力性能差异较大,适当增加叶轮叶片数,会增加水泵的扬程、改善水泵的汽蚀性能,但是随之摩擦损失增大、效率有所下降,而且流量增大时这种差异越明显;在不同流量工况下,改变导叶叶片数对泵段水力损失的影响较为明显,选择合理的导叶叶片数对改善混流泵段的整体性能是有效的、可行的。
【部分图文】：

为了能够真实地反映混流泵内部复杂的流动情况，对混流泵段的流体域进行了全流场数值模拟，将计算域分为进水直管段、叶轮室、导叶体、后导水锥和出水弯管段共5个部分。混流泵段的计算模型如图1所示。进水直管段、后导水锥和标准60°出水弯管段3个计算域均采用ICEM软件进行结构化网格划分，网格质量达到0.4以上，符合计算要求。混流泵叶轮和导叶体在Turbo-Grid中进行结构化网格划分。基于CFX数值模拟软件，采用三维不可压缩N-S方程描述混流泵内部流动，选用标准k-ε湍流模型封闭方程组。采用SIMPLEC算法求解不可压缩N-S方程，利用有限体积法对控制方程进行离散。壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理，进口采用压力进口边界条件，出口采用质量出流条件。

改变叶轮叶片数来探究叶轮叶片数变化对混流泵性能的影响。分别取Z1=4、5和6，计算得出不同叶轮叶片数下叶轮的外特性曲线，如图2所示。可知，当Q=0.8Q0时，叶轮的扬程随叶轮叶片数的增加而变大，叶片数越多，扬程越高，而效率变化不明显;Q=Q0时，扬程随叶轮叶片数的增加而增加，而叶轮叶片增加到6片时效率下降较为明显;Q=1.2Q0时，扬程增加并不明显，而效率下降显著，叶轮叶片数为6时的效率比叶轮叶片数为4时下降了约5%。在小流量工况下不同叶片数对效率影响不明显;在大流量工况下由于扬程降低，摩擦损失占比较大，因此不同叶片数对效率影响较大。总体来看，不同流量下叶轮的外特性随叶轮叶片数的增加变化趋势是不一致的，扬程在小流量下变化幅度大，效率在大流量下变化幅度大。为了更好地了解叶轮不同叶片数下的内部流动状况，取设计工况叶轮轮毂到轮缘span=0.6处的压力分布云图，如图3所示。可知，Z1=4时，叶片吸力面存在较大的低压区，在压力面靠近尾缘的位置存在较小范围的高压区;Z1=5时，叶片吸力面位置的低压区面积减小，叶轮出口位置高压区面积扩大十分明显，说明叶片做功能力明显增强;Z1=6时，叶轮压力面出口位置高压区面积增大，但增大量也不明显，说明叶片进一步提高做功能力有限。这也验证了外特性的变化趋势。

为了更好地了解叶轮不同叶片数下的内部流动状况，取设计工况叶轮轮毂到轮缘span=0.6处的压力分布云图，如图3所示。可知，Z1=4时，叶片吸力面存在较大的低压区，在压力面靠近尾缘的位置存在较小范围的高压区;Z1=5时，叶片吸力面位置的低压区面积减小，叶轮出口位置高压区面积扩大十分明显，说明叶片做功能力明显增强;Z1=6时，叶轮压力面出口位置高压区面积增大，但增大量也不明显，说明叶片进一步提高做功能力有限。这也验证了外特性的变化趋势。结合图2、3来看，叶轮叶片数增加可以提高叶片做功能力，提高扬程;减小叶片吸力面的低压区面积，可以改善叶轮的汽蚀性能，但是也会致使叶轮的效率降低。并且，增加叶轮叶片数，叶轮的扬程并不是线性增加，汽蚀性能的改善也会随着叶片增多而减弱。另外，当叶轮叶片数增加时，会造成水流与叶片之间的摩擦损失相应增加，从而导致效率降低，这种现象在大流量工况下尤为明显。
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