不同叶片安装角的轴流泵内部流动特性分析

施高萍，郭晓梅，陈红亮

（浙江水利水电专科学校，浙江 杭州 310018）

0 引言

轴流泵由于扬程低、流量大，在浙江省大中型泵站中被广泛应用。浙江省的大中型泵站的泵型以700ZLB和900ZLB轴流泵为主，约占总量的2/3[1]。

轴流泵是叶轮流体机械，其内部的流动复杂，是非定常、有旋、不可压缩的三维湍流流动。现在，随着计算机技术的发展，使用CFD技术对泵内流动进行数值模拟，探索泵内部流动规律的研究发展很快，已成为流体机械研究的热点[2]。

浙江省某排涝泵站建于1962年，设备老化严重，2009年开始实施异地重建。该站初步设计选用了900 ZLB—100轴流泵，转速n=485 r/min，流量Q=2 m3/s，扬程H=5.4 m，叶轮叶片数Z1=4，叶轮外径850 mm，导叶叶片数Z2=7。笔者利用Navier-Stokes方程和标准的k-ε紊流模型以及SIMPLEC算法，不考虑叶轮室与叶片外缘之间的间隙引起的损失，采用CFD流态分析技术分析了不同叶片安装角下轴流泵叶轮内部的流动特性。

在计算中由连续性方程、动量方程和标准k-ε湍流模型构成控制方程组。

1 轴流泵数值模拟

1.1 计算网格

由于在全流道内既有旋转流场又有非旋转流场，所以把计算体分为进水喇叭口区、叶轮区、导叶区和出口弯管区等4个区域。其全流道的网格划分和计算区域见图1[3]。

1.2 边界条件的设定

（1）进口边界条件。给定进口绝对速度的大小及方向，具体数值根据数值模拟的工况给定，假定进口边界上绝对速度为均匀连续的。即模拟过程中，根据流量计算进口处的速度（Vin），其值作为迭代的初始值。

图1 计算区域及计算网格

式中，A为进水口过流面积，D1为泵进口直径

（2）出口边界条件。计算流场的出口设置在出水弯管的出口，此处的流动认为接近充分发展流，采用 “出流条件 (outflow)”。

（3）壁面边界条件。在叶片表面、轮毂等固体壁面上，速度满足无滑移条件。叶轮选择旋转坐标系，其旋转速度设为n=485 r/min，其他选择静止坐标系。

2 内部流动特性分析

根据厂方提供的数据，叶片安装角度一般有+4°、0°和-4°。因此，本文分别对3种不同叶片安装角度的叶轮进行数值模拟。

2.1 不同叶片角度下压力分布图

在设计工况下，叶片角度为0°时，得到如图2所示的叶轮和导叶轮毂的压力分布图。

图2 叶轮和导叶轮毂静压分布（0°）

由图2知，叶轮和导叶表面的压力分布总趋势为由小到大，在叶轮和导叶体叶片吸力面局部区域出现了较低压力分布情况，其最大压力出现在导叶轮毂出口处。叶片压力面的压力总体上比叶片吸力面的压力大，叶轮叶片吸力面靠近进口且处在边缘处有一明显的低压区。这正是叶片上最容易发生空蚀的位置。

在设计工况下，叶轮叶片安装角分别为+4°、0°和-4°时模拟计算得到的叶轮叶片压力面和吸力面的静压分布比较图如图3、4所示。

由图3、4可见，相同安装角度时，叶片上的压力面静压大于吸力面静压，压力面进水边出现最大值，吸力面出现低压情况，低压区在靠近叶片的进口边。分析图3可知，在叶片安装角为+4°时，压力面的静压值较0°和-4°的情况要低。由图4可知，叶片安装角为+4°时，吸力面处出现了大面积的不连续低压区，意味着在该情况下很容易发生空蚀；叶片角度为0°时，叶轮吸力面也出现了一定的静压区，主要集中在叶片靠近进口边的外缘处，但低压区的面积已经明显比+4°时有了很大的缩减；当叶片角度为-4°时，只出现了很小面积的低压区，可见其抗空蚀性能比前两种情况有了很大改善。

图3 叶轮叶片压力面静压分布比较

图4 叶轮叶片吸力面静压分布比较

2.2 不同叶片安装角下的相对速度分布

在设计工况下，模拟计算了叶轮叶片安装角分别为+4°、 0°和-4°时的叶片相对速度（见图 5）。

由图5分析知，在3种不同的叶片安装转角下，叶片的相对速度分布基本上趋于一致。从泵的中间截面看，液体由进口至出口，由于叶片的旋转作用，速度由小变大，经过导叶的导流作用，比较流畅地流出出口，速度有变小的趋势。从叶轮的叶片压力面和吸力面看，在3种情况下速度分布都是贴着叶片流出：从导叶的叶片吸力面和压力面看，在0°和-4°时，其速度分布较好，无回流现象，而在+4°时，导叶叶片吸力面处出现了液体回流的现象，造成了一定的水力损失。

图5 叶轮叶片相对速度分布比较

2.3 不同叶片角度下外特性预测

轴流泵的流场计算结束后，可以分别获得泵进出口的总能量，根据它们的差值可以预测泵的扬程H。进口的总能量以进口处的总压Pin来表示，出口的总能量以出口处的总压Pout来表示。

预测的扬程按式（2）计算[4]：

式中， ρ为水的密度；g为重力加速度。预测得到的扬程见表1。

表1 不同叶片安装角度下的扬程预测

由表1可知，叶片安装角度为-4°时，其扬程为5.76 m，能达到泵站设计扬程。

通过对轴流泵的内部流动特性的分析，建议该泵站轴流泵叶片安装角度为-4°。

3 结论

（1）叶轮叶片压力面的压力总体上比叶片吸力面的压力大，并在叶片吸力面靠近进口且在边缘处有一明显的低压区。叶片在不同的安装角时，叶片压力面和吸力面的静压值发生明显的变化。

（2）叶片安装角在0°和-4°时，其速度分布较好，无回流现象，而在+4°时，在导叶叶片吸力面处出现了液体回流的现象，造成了一定的水力损失。

（3）根据扬程计算公式，预测了叶片在不同安装角度下的扬程叶片安装角度为-4°时，其扬程为5.76 m，能达到泵站设计扬程。通过轴流泵的内部流动特性分析，建议该轴流泵叶片的安装角度为-4°。

（4）本文假定不存在叶轮室与叶片外缘之间的间隙引起的损失，要更准确模拟轴流泵内部流场，还应考虑这部分损失和这部分间隙对流动的影响。

［1］施高萍，王莺，崔梁萍.轴流泵在浙江省大中型泵站中的应用及改造建议［J］.浙江水利水电专科学校学报.2009，21（4）:19-25.

［2］王福军.CFD在水力机械湍流分析与性能预测中的应用［J］.中国农业大学学报.2005，10（4）:75-90.

［3］施高萍.轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析［J］.浙江水利水电专科学校学报.2010，22（3）:38-41.

［4］王艳丽.轴流泵运行特性研究［D］.北京：中国农业大学.2005.