分流叶片及其偏置设计对离心泵性能影响的研究

安满意，刘小兵，黄长久，柯 强，曾章美(西华大学能源与动力工程学院，成都 610039)

离心叶轮机械现如今已广泛应用于各行各业，它消耗着大量能源，因此提高离心叶轮机械的效率，扩大其工作范围，提高运行稳定性等对国民经济发展和节约能源将产生重要的影响[1]，分流叶片设计方法有效地改善了叶轮内的流场分布，它将长,短叶片间隔布置，提高了离心泵的扬程和效率，改善了离心泵的综合性能。目前国内外有关分流叶片设计方法的研究也取得了一些有价值的成果[2-8]，但是还未形成一套有价值的设计理论，因此，对离心泵进行分流叶片设计方法的数值模拟研究，有着重要的理论意义。

本文采用数字化设计软件Cfturbo，设计出目标模型，运用CFD数值模拟程序分析了分流叶片在不同偏置度θ和不同进口直径D条件下对离心泵不同工况下内部流场及性能的影响。将长叶片压力面与分流叶片吸力面之间的流道称为流道1，将长叶片吸力面和分流叶片压力面之间的流道称为流道2[9]。

1 离心泵水力设计分析

1.1 模型泵参数

选取一台比转速为103的单机离心泵为研究对象，闭式叶轮进口直径D1=139 mm，叶轮出口直径D2=273 mm，设计参数：流量Q=130 m3/s，扬程H=22 m，转速n=1 450 r/min,叶片数为5，加上分流叶片后总叶片数为10(5片长叶片，5片分流叶片相间分布，分流叶片的偏置度θ分别为30%， 40%， 50%， 60%)，分流叶片进口直径分别选取0.6D2，0.7D2，0.8D2。限于篇幅原因，本文先针对分流叶片进口直径为0.7D2进行不同偏置度的研究，再进行分流叶片径向布置的研究。分流叶片偏置设计方案见图1，数值模拟方案见表1。

1.2 控制方程

采用时均化的连续性方程，纳威-斯托克斯方程(RANS)及基于布辛涅斯科(Boussinesq)涡团黏性假设的二方程湍流模型中的标准k-ε模型(sk-ε)，即：

图1 分流叶片偏置设计方案 Fig.1 Splitter blades deviated angle design

表1 数值模拟方案Tab.1 Numerical simulation design

连续性方程为：

(1)

动量方程为：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

其中：

；cμ=0.09；

Cε1=1.44,Cε2=1.92；

σκ=1.0，σε=1.3

1.3 网格划分

采用流场数值模拟软件ANSYS CFX前处理网格划分软件ICEM进行网格划分，其中进出口延伸段采用结构化网格，蜗壳和叶轮采用四面体非结构化网格，叶轮计算网格数为483 586个，蜗壳计算网格数为446 067个，进出口延伸段计算网格数为140 727个，网格质量良好。计算模型及网格模型如图2所示。

图2 离心泵三维流道图Fig.2 Flow field model of centrifugal pump with splitter blades

1.4 边界条件

进口边界条件采用总压进口(total pressure inlet)，假设在进口截面上压力均匀分布，出口条件给定出口质量流量(mass flow rate)，通过出口边界条件控制模型的质量流量。近壁面处选用标准壁面函数，壁面边界条件设为绝热无滑移壁面；湍流模型设为标准k-ε湍流模型；在进口延伸段和叶轮，叶轮和蜗壳之间设置动静交界面(frozen-rotor interface);收敛精度设为1×10-5。

2 计算结果与分析

2.1 分流叶片偏置度对流场的影响

对比方案B～E与原型泵(见图3)，带分流叶片后，在设计流量下静压比原型泵明显提高，说明带分流叶片泵扬程增大，运行范围偏向大流量，性能更优，蜗壳螺旋线区域内，静压变化梯度明显减小，分布更趋均匀，未出现静压相对较大区域，有利于叶轮出口处压力脉动减小和流动损失降低，对比方案B～E，静压变化规律趋势一致，方案C叶轮进口低压区静压变化梯度明显小于方案B和方案D、E，进口流态更稳定。

分析图4中方案B～E与原型泵流线分布图，可看出，长叶片与分流短叶片压力面的速度小于吸力面，这是由于压力面为工作面，对流体做功致使压力增加，速度减小。从图4方案A的原型泵流线分布图可以看出，存在低速尾流区并伴随有漩涡，脱流较为严重，叶轮出口存在射流现象，导致冲击损失增加，蜗壳出口流态紊乱，速度分布不均匀，变化梯度较大，低速区域范围较大且有回流和漩涡存在，蜗壳扩散段利用率较低。对比方案B～E与原型泵，叶轮和蜗壳内速度分布情况在带分流叶片后明显改善，相同半径处速度分布更为均匀。由于分流叶片的作用，叶片吸力面流体的分离和脱流被抑制，流体运动被更好的控制，叶轮出口流态趋于稳定，水力损失减小。蜗壳内速度分布较原型泵更均匀，蜗壳扩散段利用率也同时增大。

图3 设计流量下带分流叶片方案与原型离心泵的静压分布云图Fig.3 Static pressure distribution of prototype pump and splitter blades pump on design flow point condition

图4 设计流量下带分流叶片方案与原型离心泵的流线分布云图Fig.4 Streamline distribution of prototype pump and splitter blades pump on design flow point condition

方案D，E，在隔舌附近的流道2均出现不同程度的漩涡，有明显的回流，湍动能值很大，方案B在蜗壳出口处出现明显的流线分布不均匀，叶轮出口存在射流现象，引起蜗壳出口流态紊乱，方案C内没有出现明显的回流和漩涡，蜗壳内流线分布也相对均匀，所以方案C的分流叶片偏置度最优。可知，分流叶片的不合理的周向偏置会引起叶轮流道内强烈的湍流脉动，直接影响叶轮流道流动的稳定性。

2.2 分流叶片偏置度对离心泵性能的影响

利用数值模拟计算得出的数据绘出H-Q以及η-Q曲线，如图5(a)，通过曲线可以看出：增加分流叶片后，方案B～E 的扬程和效率有明显的提高，扬程的大小依次为：C>D>E>B>A ，其中方案C的最高扬程为25.56 m，6种不同方案下的效率大小依次是：C>B>D>E>A，方案C的效率最高为86.37%，图5(b)为不同方案下轴功率性能预测值的对比，轴功率大小以此为D>C>E>B>A，在变工况条件下方案D，C轴功率曲线陡增，及分流叶片明显提高了离心泵的轴功率， 相比方案B～E，更加证实了方案C的偏置度为最优，同时对比国内外已取得有价值的试验成果，其扬程及效率曲线走势相似，数值模拟结果能够真实地反映离心泵叶轮内部的流动状态，并为离心泵的性能预测提供可靠依据。

图5 方案A～E的H-Q，η-Q曲线以及P-Q曲线 Fig.5 H-Q, η-Q and P-Q curves of plan A～E

2.3 分流叶片进口直径对流场的影响

对比方案C1，C，C2分流叶片的不同径向布置对离心泵流场的影响，如图6，方案C相比方案C1，C2蜗壳螺旋线区域内，静压变化梯度明显减小，分布更趋均匀，未出现静压相对较大区域，如图7，方案C1，C2在蜗壳隔舌附近叶轮流道内均出现明显的回流和漩涡，脱流较为严重，方案C效果最佳。

2.4 分流叶片进口直径对离心泵性能的影响

图8为分流叶片不同进口直径下的H-Q以及η-Q曲线，及轴功率性能曲线，扬程大小排序依次是：C>C1>C2，轴功率值大小排序依次是：C1>C>C2效率值大小排序依次是：C>C1>C2，所以分流叶片进口直径为0.7D2，偏置度为0.4θ的C方案分流叶片布置位置最优，对离心泵性能改善最明显。

图6 设计流量下分流叶片不同进口直径的静压分布云图Fig.6 Static pressure distribution of different inlet diameter splitter blades pump on design flow point condition

图7 设计流量下分流叶片不同进口直径的流线分布云图Fig.7 Streamline distribution of different inlet diameter splitter blades pump on design flow point condition

3 结 论

(1)添置分流叶片有利于改善低比转速离心泵压力、速度分布，能有效抑制叶片吸力面流体脱流和分离，减少流动损失，提高叶轮出口压力；改善蜗壳出口流态，提高出口压力，从而增加扬程，提高离心泵性能。但是分流叶片的不合理布置，会引起叶轮流道内强烈的湍流脉动，造成离心泵整体性能的下降。

(2)通过CFD技术数值模拟离心泵外特性曲线预测添加偏置分流叶片后离心泵性能，离心泵整体性能显著提高，扬程平均增加11.8%，效率平均增加9.6%，泵在大流量工况运行时性能变优。通过数值模拟预测，分流叶片进口直径为0.7D2，偏置度为0.4θ，离心泵的性能可以得到很好

图8 方案C1，C，C2的H-Q，η-Q曲线以及Ρ-Q曲线Fig.8 H-Q, η-Q, and P-Q curves of plan C1, C, and C2

的改善。

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