缝隙引流叶片对低比转速离心泵性能的影响

李随波， 魏培茹， 陈红勋

(1.上海大学上海市应用数学和力学研究所，上海200072;2.上海东方泵业(集团)有限公司，上海201906)

低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点，并广泛应用于石油、化工、航空航天、制药、冶金及轻工业等领域.但是，低比转速离心泵因其直径大、宽度小以及流道扩散严重等原因，导致其效率偏低且很难改善.近年来，学者们进行了大量的研究，提出了几种改进低比转速离心泵的设计方法，主要包括加大流量设计法、无过载设计法、面积比设计法、分流叶片(又称短叶片或辅助叶片)设计法等［1-4］，其中分流叶片设计法是一种综合考虑设计工况和流道几何形状及其工艺性的优化设计方法，它通过在两相邻长叶片中间设置短叶片，改善了叶轮内流速和压力分布，提高了泵的性能［5］.

近年来，学者们对带分流叶片的离心泵进行了大量的研究工作［6-12］，研究方法主要包括数值分析、实验验证、多方案的正交实验，总结了分流叶片的长短、形状及安装位置等对泵性能的影响.Miyamoto等［13］通过实验认为，带分流叶片的叶轮与一般叶轮相比，其叶片载荷较小，绝对圆周速度和总压较大.Yuan［14］提出，分流叶片是解决低比转速离心泵三大问题(效率低、扬程曲线易出现驼峰、易过载)最有效的方式之一，并且给出了分流叶片的相对几何尺寸.Kergourlay等［15］利用非定常的计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)技术研究了泵内流场和动态特性，并通过压力传感器测量其压力脉动，考察了分流叶片对离心泵性能的影响.研究结果表明，添加分流叶片可使叶轮的周向速度和压力变得比较均匀，有利于改善振动和辐射噪声水平，但对泵性能的影响有好有坏.

低比转速离心泵叶轮内部的流场结构复杂，泵内流动存在着冲击、流动分离、汽蚀、二次流等流动现象，包括离心叶轮进口的回流、叶轮流道内的二次流、叶轮流道内的射流-尾迹结构与流动分离.这些因素一方面影响了低比转速离心泵的流场分布，另一方面又消耗了大量的能量，致使扬程和效率下降［16-17］.Pedersen等［18］和张伟等［19］分别从实验和数值模拟的角度，对低比转速离心泵设计和非设计工况的叶轮内部流场进行了研究，证实了在非设计工况下，叶轮内部存在“交替失速”这一特殊的流动现象.

Chen等［20］认为，低比转速离心泵内部存在着较大的旋涡，消耗着能量，同时也堵塞了流道，是导致低比转速离心泵效率低的主要原因.叶轮内的旋涡主要是由边界层分离所引起的，Chen等提出了以控制边界层分离为目的的流动控制技术，即缝隙引流技术，并研制了两种新型的离心泵叶片结构，即沟槽引流叶片和缝隙引流叶片.通过一系列的实验，发现新型叶轮能显著提高低比转速离心泵在全工况范围内的效率，扩大泵的运行范围，且缝隙引流叶片对低比转速离心泵的性能改善最为明显.

本研究基于Chen等的工作展开，选取缝隙引流的流动控制技术来改善低比转速离心泵的性能.文献［20］已将缝隙引流技术成功地应用于低比转速离心泵的圆柱叶片上.由于扭曲叶片在低比转速离心泵中应用较多，因此，本研究将该项技术应用到扭曲叶片上，设计了3种不同比转速离心泵的常规叶片和缝隙引流叶片.这3种模型泵的比转速ns分别为33，46和66(该比转速是指设计工况点的比转速).为了减小模型误差和实验相对误差，便于准确分析比较，采用快速成型技术将所有设计的叶轮进行精密铸造，并将同一比转速的叶轮在同一蜗壳内进行实验.本研究主要分析了缝隙引流技术应用在空间扭曲叶片上的情况，以及缝隙引流叶片对不同比转速离心泵性能的影响，并初步探究了缝隙引流叶片几何参数对泵性能的影响.

1 缝隙引流叶片

1.1 物理模型

通过快速成型技术制作了3种比转速ns分别为33，46和66的离心泵的常规叶轮和缝隙引流叶轮，其中比转速ns为33的叶轮设计了2种常规叶轮，标号分别为ns33_0和ns33_3，与其对应的2种缝隙引流叶轮的标号分别为ns33_0_1和ns33_3_2;比转速ns为46的叶轮设计了一种常规叶轮，标号为ns46_1，与其对应的2种缝隙引流叶轮的标号分别为ns46_1_1和ns46_1_2;比转速ns为66的叶轮设计了一种常规叶轮，标号为ns66_3，与其对应的2种缝隙引流叶轮的标号分别为ns66_3_2和ns66_3_7.

缝隙引流叶片叶轮的结构如图1所示，包括引流叶片和主叶片.引流叶片和主叶片与常规设计叶片的几何表达方法相同，可用进口安放角、出口安放角、进口直径、出口直径以及包角等来表示其几何形状.引流叶片与主叶片的相对位置用缝隙表示，而重叠度的大小则可由主叶片入口所在轴面上的半径与引流叶片在该轴面上的半径来反映.不同比转速泵的缝隙引流叶片的参数对比如表1所示，其中引流叶片进口安放角的大小是与其对应的常规叶片进口安放角的比较结果;引流叶片包角、引流叶片与主叶片重叠度和缝隙3栏的大中小是与其他不同缝隙引流叶片的比较结果.

不同比转速泵常规叶片的设计参数如表2所示，其中Q为流量，H为扬程，n为转速，Ds为泵吸入口直径，Dd为泵排出口直径.

图1 缝隙引流叶片结构图Fig.1 Structure diagram of gap drainage blades

表1 缝隙引流叶片参数对比Table 1 Comparison parameters of gap drainage blades

表2 常规叶片泵的设计参数Table 2 Parameters designed of conventional blades pump

1.2 实验研究

外特性实验在上海大学叶轮机械实验室离心泵闭式试验台上完成，通过对该试验台的精度分析和误差估算，得出该试验台测量系统是稳定的，测试精度满足ISO 9906—1999和GB/T 3216—2005 B级的精度规定.

分别对3种不同低比转速离心泵的常规叶轮和缝隙引流叶轮进行多工况点外特性实验，其中流量值由电磁流量计测出，流量的变化由电动阀的开度大小控制，轴功率和转速由转矩转速仪测出，进出口压力值由高精度压力传感器测出.对实验数据进行处理，并通过相似定律，将扬程、效率和轴功率值换算到额定转速(n=1 450 r/min)，得到了3种不同低比转速离心泵常规叶轮和缝隙引流叶轮的实验结果，并对实验结果分析如下.

(1)对比转速ns为33的离心泵的性能影响.

图2～图5为ns33_0和ns33_3 2种离心泵的性能曲线及其对应的比转速-效率曲线.可以看出，采用缝隙引流技术的2种模型泵的性能均得到了不同程度的改善，Q-η曲线大幅提升，Q-H曲线趋于平坦且整体上移，运行范围扩大.ns33_0_1较ns33_3_2性能提高得更明显，说明在缝隙相差不多时，缝隙引流叶片包角越小以及主叶片重叠度越大，对泵性能的改善越明显.实验同时证实了缝隙引流技术可以改善空间扭曲叶片叶轮的性能.

图2 泵性能曲线(ns33_0_1/ns33_0)Fig.2 Performance curves of centrifugal pump (ns33_0_1/ns33_0)

图3 比转速-效率对比曲线(ns33_0_1/ns33_0)Fig.3 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns33_0_1/ns33_0)

(2)对比转速ns为46的离心泵的性能影响.

图6～图7为比转速ns为46的常规叶轮和2种缝隙引流叶轮的泵性能曲线和比转速-效率曲线.可以看出，缝隙引流叶轮ns46_1_2在大流量区提升了泵的性能，而ns46_1_1在全工况范围内明显提升了泵的性能.这说明在引流叶片进口安放角和包角相同的情况下，当引流叶片与主叶片的重叠度和缝隙较小时，可更加有效地改善泵的全工况性能.该实验进一步证实了缝隙引流技术对扭曲叶片叶轮性能具有改善作用.

图4 泵性能曲线(ns33_3_2/ns33_3)Fig.4 Performance curves of centrifugal pump (ns33_3_2/ns33_3)

图5 比转速-效率对比曲线(ns33_3_2/ns33_3)Fig.5 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns33_3_2/ns33_3)

图6 泵性能曲线(ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)Fig.6 Performance curves of centrifugal pump (ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)

图7 比转速-效率对比曲线(ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)Fig.7 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns46_1_1/ns46_1_2/ns46_1)

(3)对比转速ns为66的离心泵的性能影响.

图8～图9为比转速ns为66的常规叶轮和2种缝隙引流叶轮的泵性能曲线和比转速-效率曲线.可以看出，缝隙引流叶片使得Q-H，Q-η曲线在小流量区有所提升.由图9可见，ns66_3_2和ns66_3_7在比转速ns为20～70的范围内较常规叶片泵的性能有所改善，且在该区域内ns66_3_7较ns66_3_2的效率提高更大.实验表明，在该比转速下，当引流叶片进口安放角加大、叶片包角和重叠度较小时，缝隙引流叶片在小流量区对泵的性能改善明显.该实验结果也说明，缝隙引流技术对不同比转速离心泵的性能影响是不同的.

图8 泵性能曲线(ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)Fig.8 Performance curves of centrifugal pump (ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)

2 结论

本研究通过对3种不同比转速扭曲叶片的常规叶轮和缝隙引流叶轮的实验分析，得到以下结论.

图9 比转速-效率对比曲线(ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)Fig.9 Comparison curves of specific speed-efficiency (ns66_3_2/ns66_3_7/ns66_3)

(1)缝隙引流技术可有效改善空间扭曲叶片叶轮的性能.

(2)标号为ns33_0，ns33_3和ns46_1的常规叶轮采用缝隙引流技术后，在全工况范围内实现了性能的提高，且缝隙引流叶轮ns33_0_1的性能改善效果更明显.常规叶轮ns66_3采用缝隙引流技术后，其性能在比转速ns为20～70的范围内得到了较好的改善.因此，缝隙引流技术对不同比转速离心泵性能的影响程度和影响区域是不同的，设计点比转速越低，该技术对性能的提高越明显.

(3)从缝隙引流叶片的几何参数上看，当缝隙引流叶片的包角和缝隙较小时，对性能的改善是有利的.

(4)要更好地发挥缝隙引流技术改善泵性能的作用，还需进一步研究缝隙引流叶轮内部的流动机理，以及内部流动与叶片几何参数之间的关系.

［1］ 袁寿其.低比速离心泵理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［2］ 张金凤.带分流叶片离心泵全流场数值预报和设计方法研究［D］.镇江：江苏大学，2008.

［3］ 严敬，杨小林.低比转速泵叶轮水力设计方法综述［J］.排灌机械工程学报，2003，21(3)：6-9.

［4］ 戴正元，李龙.低比转速离心泵设计理论现状及发展［J］.水泵技术，2002(2)：3-7.

［5］ 袁寿其，张玉臻.离心泵分流叶片偏置设计的试验研究［J］.农业机械学报，1995，26(4)：79-83.

［6］ 徐伟幸，袁寿其.低比速离心泵叶轮优化设计进展［J］.流体机械，2006，34(2)：39-42.

［7］ 黎义斌，张德胜，赵伟国，等.叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响［J］.兰州理工大学学报，2008，34(2)：45-48.

［8］ 崔宝玲，朱祖超，陈鹰，等.长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟［J］.推进技术，2006，27(3)：243-247.

［9］ 耿少娟，聂超群，黄伟光，等.不同叶轮形式下离心泵整机非定常流场的数值研究［J］.机械工程学报，2006，42(5)：27-31.

［10］ 陈松山，周正富，葛强，等.长短叶片离心泵正交试验研究［J］.扬州大学学报：自然科学版，2005，8(4)：45-48.

［11］ 袁建平，李淑娟，付跃登.用正交试验研究分流叶片对离心泵性能的影响［J］.排灌机械工程学报，2009，27 (5)：306-309

［12］ 任乃飞，江杰，顾佳方，等.基于RE/CFD带分流叶片离心泵叶轮快速开发［J］.排灌机械工程学报，2010，28(1)：18-21.

［13］ MIYAMOTOH，NAKASHIMAY，YASUNAGAY，et al.Study on flow of centrifugal impeller［J］.Trans Japan Soc Mech Eng B，1989，55(518)：3108.

［14］ YUANS.Advances in hydraulic design of centrifugal pumps［C］ ∥ ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting.1997：1-15.

［15］ KERGOURLAYG，YOUNSIM，BAKIRF，et al.Influence of splitter blades on the flow field of a centrifugal pump：test-analysis comparison［J］.International Journal of Rotating Machinery，2007.doi：10.1155/2007/85024.

［16］ 朱祖超.低比转速高速离心泵的理论及设计应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［17］ 沈天耀.离心叶轮的内流理论基础［M］.杭州：浙江大学出版社，1987.

［18］ PEDERSENN，LARSENP S，JACOBSENC B.Flow in a centrifugal pump impelleratdesign and off-design conditions—PartⅠ：particle image velocimetry(PIV) and laser doppler velocimetry(LDV) measurements［J］.Journal of Fluids Engineering，2003，125(1)：61-72.

［19］ 张伟，余运超，陈红勋.离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟［J］.排灌机械工程学报，2010，28 (1)：38-42.

［20］ CHENH，LIUW，JIANW，et al.Impellers of low specific speed centrifugal pump based on the draughting technology［C］∥ 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems.2010：1-7.