孔板对带诱导轮高速离心泵进口段流动特性的影响研究

宋文武，魏立超，石建伟，杨秀鑫，许倩语

(西华大学能源与动力工程学院，成都 610039)

高速离心泵具有转速高、扬程大、流量小等特点，但是由于其高转速的原因，在小流量工况下具有不稳定性。小流量不稳定的主要原因是由于诱导轮进口的回流漩涡、叶轮中的二次流、叶轮流道内的射流等不良现象引起的。其中回流漩涡对高速泵性能的影响非常大，回流漩涡会消耗大量的能量，减少离心泵的效率，从而使高速泵的机组特性曲线出现正斜率上升段，使水泵的机组在小流量工况下产生不稳定的现象[1-4]。回流漩涡也会导致压力脉动，加剧水泵内部的汽蚀，从而产生振动和噪声[5]。所以改善诱导轮进口的回流漩涡，可以有效地提高泵的水力性能。

P.Cooper[6]等提出在诱导轮进口段前加反向稳流器，能够很好地解决进口段的回流问题。张金凤[7]等提出在进口段加入高压水流，能够有效地减弱回流漩涡的强度，但高压水的注入会在一定程度上对水泵的流场造成不利的影响。Masao Oshima[8,9]提出在诱导轮进口前加孔板的方法来削弱进口段的回流，并通过实验论证了加孔板可以改善离心泵的汽蚀性能，提高了离心泵在关死点的扬程。郭晓梅[10]等通过正交实验的方法对GSB-80/300型高速泵进行模拟分析，确定了孔板的最佳位置、孔径和孔板的厚度。

以上学者只针对1种环形孔板分析了对水泵中回流漩涡的影响，而改变孔板的形式是否对回流漩涡有进一步的抑制作用，是值得思考的问题。本文初步设计了3种新型孔板，利用数值模拟软件对这3种孔板与传统型孔板进行分析，通过对其内部流动和水力性能的分析，选取出一个最佳的孔板形式。

1 高速离心泵模型建立

根据某高速离心泵的相关资料，利用三维建模软件UG建立包括进口段、诱导轮、叶轮、蜗壳、出口段的水体模型，并画出4种不同孔板形式的进口段，再利用ANSYS-ICEM软件对高速泵模型进行网格划分，在ANSYS-CFX软件中对无孔板和不同形式的4种孔板进行全流场的数值模拟，分析4种孔板和不加孔板情况下的流线、速度、压力变化情况，综合比较各个情况下的水力性能，选择出最优的孔板形式。

高速离心泵的模型包括进口段、诱导轮、叶轮、蜗壳和出口段5个部分(见图1)，高速泵的基本参数为流量Q=662 m3/h，扬程H=620 m，转速n=13 000 r/min，进口段的半径R=87 mm。其中诱导轮和叶轮的相关参数见表1。

表1 诱导轮和叶轮参数Tab.1Parameters of inducer and impeller

郭晓梅[10]运用正交试验的方法选取了适合GSB-80/300型高速泵的最佳孔板尺寸，通过对比2个模型泵的比转速，进口段的流速大小和进口段直径之间的关系，选取了孔板厚度10、15、20 mm 3组数据，孔板直径1.4R、1.5R、1.6R，孔板距诱导轮进口的距离选择0.92R、1.03R、1.14R。通过正交实验的方法进行数值模拟，对比分析不同孔板尺寸对进口段回流漩涡强度的影响，综合分析其压力和速度变化情况，比较高速泵的水力效率、扬程和轴功率的变化情况，最终选取了孔板厚度为20 mm，孔板直径为1.5R，孔板距诱导轮进口距离为1.03R的最有利的一组数据组合(R为进口段半径)。

图1 高速泵三维模型Fig.1 Three-dimensional model of the highJspeed pump

朱祖超[11]认为诱导轮和离心轮的进口回流实际上是由于旋转叶片边缘处的液流圆周分速度不均匀引起的，是包含垂直于轴面的漩涡和绕流线漩涡的回旋流。史宏超、李意民[12,13]通过公式推导出了回流的机理，进一步验证了回流是由于轴向速度Vm的减小，流体有更多的时间随着叶轮作绕轴线的旋转运动，从而出现一较大的圆周速度分量Vu。较大的圆周速度分量导致叶轮入口压力分布发生变化。这种情况不仅使得叶轮入口前的压力沿半径方向发生变化，而且沿轴向也发生变化，并形成了压差。只要这种压差一形成，流体将被迫反向流动，从而形成回流。

在高速离心泵的进口段添加孔板，是为了抑制回流漩涡中垂直于轴面的漩涡，而此漩涡主要集中在诱导轮进口的圆周上，通过添加孔板使轮缘处的回流遇到孔板的阻挡，液流被迫反向，并回到主流，从而抑制了回流漩涡。但是传统型孔板的截面为长方形，接触液流的拐角都为直角形设计，在直角处会存在一定量的死水，对于液流的冲击损失也较大，所以能量有一定的损失，从而影响对进口段回流漩涡的控制效果。为了使进口段的液流流动平顺，减少来流的能量损失，并且更好地抑制回流漩涡，设计了几种抛物线形的孔板装置，通过类似抛物线形的过渡缓冲，会减少能量的损失，对于回流漩涡的抑制效果会有所提高。利用字母对4种形式的孔板进行命名，A型孔板为圆环形式，B型孔板为类似抛物线的形式，C型孔板为上半剖抛物线形式，D型孔板为下半剖抛物线形式(见图2)。

2 模型求解分析

通过ANSYS-ICEM软件对高速泵和4种不同孔板形式的进口段进行网格划分，网格采用非结构化网格，为了使计算结果更加准确，加大了各个部分的网格数量。叶轮的网格数为150万个，诱导轮的网格数为288万个，蜗壳的网格数为88万个，不加孔板的情况下网格总数为975万个，A型孔板模型网格总数为985万个，B型孔板模型网格总数为989万个，C型孔板模型网格总数为1 028万个，D型孔板模型网格总数为989万个。网格无关性分析，取1 020万个与975万个网格进行对比分析，高速泵的扬程和效率稳定在1.2%和1.1%以内。网格划分见图3。

图2 孔板示意Fig.2 Schematic diagram of the orifice plates

通过Ansys-CFX软件对高速泵不同形式的孔板模型进行分析，利用三维Navier-Stokes方程和RNGk-ε湍流模型，计算分析高速泵全流道内的湍流流动情况，压强-速度耦合方法为

图3 网格划分示意Fig.3 Schematic diagram of grid division

SIMPLEC算法。

壁面边界条件设置：诱导轮和叶轮的壁面定义为旋转边界，其转速为泵的转速，其他定义为无滑移边界条件。进口边界条件采用总压的设置，总压采用静压+动压的设置，出口采用质量流速作为出口的边界条件。压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用采用二阶迎风差分格式。残差设置为10-4。

3 模拟结果及分析

3.1 进口段分析

通过进口段与诱导轮的流线可以看出，不加孔板时的回流漩涡范围很大，进口段的流动比较混乱，回流漩涡主要集中在诱导轮的进口处(见图4)。加了孔板之后，回流漩涡主要被控制在孔板与诱导轮进口之间，大大缩短了回流漩涡影响的范围。

图4 不同形式孔板的流线Fig.4 Streamlines of different orifice plates

不同形式孔板之间进行比较分析，A型孔板能够控制回流漩涡，使回流漩涡在挡板与诱导轮进口之间进行周向旋转，但其液流旋转的速度比较高，对诱导轮的内流场有一定的影响；B型孔板能够有效的控制回流漩涡，使其控制在一定的范围内，并且其液流的速度与诱导轮的进口速度相吻合，诱导轮的流线顺畅没有不良的漩涡，对诱导轮的流场影响也较小；C型和D型孔板的流线情况与B型孔板基本一致，流线顺畅，诱导轮的整体流动平稳。

为了观察回流漩涡的内部情况，在进口段沿着轴线切一个平面进行内部漩涡的观察分析。从速度矢量图可以看出(见图5)，在不加孔板的情况下回流漩涡流动混乱不稳定，漩涡的数量也很多，并且漩涡在进口段的影响范围比较大。从速度矢量图可以大概观察到回流产生的过程，由于诱导轮的叶轮旋转对液流产生了不均匀的作用力，使其有一部分液流回流，并带动主流进行旋转运动，从而形成回流漩涡。

加了孔板之后，漩涡控制在一定的范围内，轴线周围上的液流流动顺畅没有漩涡，漩涡主要集中在进口段的圆周上。4种孔板进行对比分析，对漩涡的控制都有一定的效果，但在A的内部还存在少量的轴向漩涡，直角处还有一小部分死水；其他3种孔板对回流漩涡控制较好，基本消除了轴向的漩涡，液流主要绕轴线进行圆周运动。综合分析，B型、C型和D型挡板对回流漩涡的控制效果要好于A型孔板。

选择孔板与诱导轮进口之间的几个截面(见图6)，观察轴面漩涡的变化情况。在距离诱导轮进口20、50、80 mm处，垂直于轴线的3个平面，查看横截面方向上的漩涡变化情况。无孔板的情况下，3个截面的涡旋比较多，随着距离的减小漩涡的强度越来越大，影响范围越来越广。加了孔板之后中心的漩涡得到了有效控制，各个截面的漩涡数量和影响范围都有所减小。

图5 不同孔板形式的进口段速度矢量图Fig.5 Velocity vectors at the suction connection with different orifice plates

图6 不同孔板形式的截面Fig.6 The cross-section of different orifice plates

A型孔板对轴面中心处的漩涡有所改善，中心部分的漩涡明显减少，但在20和50 mm处的截面还存在漩涡，而且此漩涡强度还比较大。从B、C、D型孔板的横截面可以看出，其控制漩涡的效果要优于A型孔板，在50mm和80mm的截面中心区域基本没有不良的漩涡存在，只在20 mm截面处存在微小的漩涡。从80 到20 mm，从没有漩涡到有了漩涡，而且漩涡强度也在不断加大。

通过对进口段液流的分析，比较了4种不同形式孔板对回流漩涡的影响，其中A型孔板对回流漩涡有一定的控制作用，但其流道内还会有部分不良流动的漩涡存在，对整体的流场造成不利的影响。而其他3个孔板对回流漩涡控制效果要优于A型孔板。

3.2 诱导轮分析

回流漩涡的大小会对诱导轮的叶轮产生影响，由于回流漩涡的水力损失，使诱导轮叶轮进口前缘处产生了一小部分低压区，增加了发生空蚀的几率。

观察不同孔板形式下的诱导轮静压变化情况(见图7)，从诱导轮的整体压力来看，诱导轮的压力从进口到出口是一个逐渐增加的过程，说明诱导轮起到了一个加压的作用。观察诱导轮吸力面的压力，从进口到出口压力逐渐变大，其中在诱导轮叶轮进口前缘处存在一小部分的低压区，此低压区的存在会增加其发生汽蚀的几率；压力面的压力变化是从轮毂到轮缘逐步增大，没有不良的低压区域。

加了孔板之后，叶轮进口前缘处的低压区域明显减小，说明孔板控制了回流漩涡，对诱导轮叶轮压力是有影响的，从而进一步说明回流漩涡是产生诱导轮进口低压的重要因素。4种不同形式的孔板进行比较，A型孔板对叶轮进口前缘处的低压区有控制作用，但是在叶轮的中部出现了一小块低压区，增加了此处发生空蚀空化的几率。B型孔板对于叶轮前缘处的低压区控制效果与A型孔板基本一致，但其叶轮中部并没有不良的低压区域，相比较A型孔板，B型孔板对诱导轮低压区的控制效果要好于A型孔板，C型与D型孔板的效果与B型孔板基本一致。

图7 诱导轮轮叶压力分布Fig.7 Pressure distribution in the inducer

在诱导轮的轴面上切一个平面(见图8)，此平面处在诱导轮进口前缘处，因为回流漩涡主要产生在诱导轮的进口前缘处，主要观察诱导轮内部的液流变化情况，分析不同形式的孔板对诱导轮内部流场的影响。

图8 诱导轮截面Fig.8 The cross-section of the inducer

通过观察诱导轮内部速度矢量图(见图9)，在不加孔板的情况下，诱导轮进口处的圆周上会有回流漩涡的影响，其中流道内靠近轮毂处也有小部分的漩涡。加了孔板之后诱导轮进口处的回流漩涡明显减小。A型孔板对于进口处回流漩涡的控制效果最明显，很大的减弱了进口处的漩涡强度，但其在诱导轮的流道和出口处会有小部分漩涡的存在，影响了诱导轮整个流场的平稳流动。B型孔板对诱导轮进口处的回流漩涡有控制作用，与A型孔板相比对进口处回流漩涡的控制稍微差一点，但其流道内没有不良的漩涡存在，液流流动顺畅，变化均匀。C型、D型孔板与B型孔板的速度矢量图基本类似，对漩涡的控制都有一定的效果。

图9 诱导轮横截面速度矢量Fig.9 Velocity vectors at the cross-section of the inducer

综上所述，4种孔板形式对诱导轮叶轮进口前缘处的低压区都有控制作用，相比较之下B型、C型和D型孔板对整个诱导轮叶轮的低压区有较好的改善作用；分析对诱导轮内部流场的影响，A型孔板对诱导轮进口处的回流漩涡有较好的控制作用，但其诱导轮的内部流动存在小部分的漩涡带，对整个流场有一定的影响，而B型、C型与D型孔板虽然对诱导轮进口处的漩涡控制效果没有A型孔板好，但其诱导轮内部流动顺畅，没有不良的漩涡，整个流场的流动均匀平稳。

3.3 高速泵性能分析

根据高速泵的扬程和效率计算公式，计算得到此高速泵的性能曲线。

从扬程曲线(见图10)可以看出，无孔板和有孔板的规律一致，随着流量的增加扬程呈现一个下降的趋势。加孔板与不加孔板时的扬程有一定的变化，在设计工况点时，A型、C型孔板与不加孔板的扬程相差10 m左右，B型与D型孔板的扬程下降明显；在0.6Qd时，C型孔板的扬程要高于A型孔板13 m；在大流量工况下，不加孔板的扬程要高于加了孔板的扬程，说明大流量下孔板有减小高速泵扬程的作用。

图10 扬程流量曲线Fig.10 Curve of flow-head

观察效率曲线(见图11)能够看出，效率随着流量的增加呈现先是增加后下降的趋势，在设计工况点附近效率达到了最大值。4种孔板形式都有提升高速泵效率的作用，说明加了孔板之后是有利于改善高速泵的水力性能。4种不同形式的孔板进行比较，在设计工况点下，A型和C型孔板效率提高将近5%，A型与C型孔板之间的效率相差0.3%，B型与D型孔板效率也提高了4%。在小流量工况下，加孔板之后，效率有明显的提升；在大于1.2Qd时，C型孔板的效率要高于其他3种孔板，在1.4Qd时C型孔板高出A型孔板2.2%，所以在大流量的情况下C型孔板具有明显的优势。

图11 效率流量曲线Fig.11 Curve of flow-efficiency

4 结 语

(1)通过对进口段的流线、速度矢量和不同截面的流动情况的分析，比较不同孔板之间对回流漩涡的控制效果。A型孔板虽然对回流漩涡有一定的控制作用，但其在进口段还存在少量轴向和径向的漩涡，并且对诱导轮的外流场有不良的影响；B型、C型和D型对回流漩涡的控制良好，内部漩涡减弱明显，流动顺畅，对于诱导轮的整个流场影响较小。

(2)对比分析诱导轮压力和速度矢量变化情况，4种孔板对于诱导轮进口前缘的低压区和回流漩涡都有明显的控制效果，但A型孔板在轮叶中部存在小部分的低压区，增加其发生空蚀空化的几率，并且诱导轮内部有少许的涡团存在，会对诱导轮的内部流动有一定的影响，综合比较，B型、C型和D型孔板要优于A型孔板。

(3)通过对高速泵扬程曲线的分析，在小流量到设计流量的情况下，C型孔板对扬程的提高有一定的作用，在大流量情况下，不加孔板时的扬程更高，所以要想获得比较高的扬程，要综合考虑孔板的形式。效率曲线分析，在小流量的工况下，A型孔板的效率要略高于C型孔板；在设计工况点，A型和C型的效率相差甚微；而在大流量的工况下C型孔板对于提高效率的优势更明显。

通过对进口段、诱导轮和高速泵水力性能的综合对比分析，C型孔板在各个方面的优势要高于传统A型孔板。

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