高压多级离心泵导叶的优化及分析

周文祥， 李春宁， 吴林虎

(1. 扬州港口污泥发电有限公司， 江苏扬州 225009;2. 南京东大能源工程设计院有限公司， 南京 211106)

导叶是多级离心泵中一个重要的过流部件，主要作用是收集从叶轮中流出的液体,将其输送到下一级叶轮入口或泵出口，将液体的动能转换为压力能，尽量消除液体在下一级叶轮入口处的旋转速度。因此，导叶是一个重要的能量转换部件，其水力结构的优劣对离心泵性能有着不可忽略的影响。已有学者研究发现导流壳内的水力损失占泵内水力损失的40%～50%[1-2]。

近年来，为了进一步提高多级离心泵的性能，降低运行成本，导叶的研究越来越得到重视，基于数值仿真模拟的关于导叶优化设计及新型导叶的研究工作也迅速发展起来。1988年，查森等[3]创建了离心泵导叶流场的计算模型，分析了导叶内部液体流动情况，并有效判断出了导叶内部的分流区域及分流的严重程度。1998年，虞之日[4]在分析节段式多级泵正导叶和反导叶之间的环形空间中的速度和能量变化、过流面积及形状的基础上, 对环形空间的设计进行了分析和探讨，认为导叶压水室的扩散段设计，重点是权衡因流速过大造成的各种过流损失和扩散、收缩造成的损失。2006年，李家文等[5]提出了一种新型流道式导叶设计方法，通过试验和模拟结果对比，得出该设计方法有利于提高导叶的水力性能。2014年，周邵萍等[6]采用叶轮设计法设计了径向导叶的反导叶，对过渡段光滑处理，并运用脱体涡模拟(DES)数值仿真分析了改进后的导叶内部流场，发现改进后的反导叶和过渡段均有利于提高泵的性能。

袁丹青等[7]设计了一种新型空间导叶，利用数值模拟和正交试验相结合的方法探索出主要几何参数对空间导叶的影响规律并确定出最优几何参数组合；但是该新型空间导叶内部会出现脱落、漩涡等现象。笔者对该新型空间导叶进行进一步优化，以额定压力为7.4 MPa、额定体积体积流量为1 000 m3/h的节段式高压多级离心泵为研究对象，根据导叶流道过流面积的变化规律和导叶内部流场情况，通过调整导叶叶片型线来改变导叶叶片厚度，使导叶流道更符合水力流动，并确定最优方案，为高压多级离心泵和导叶的设计研究提供一定的技术参考。

1 节段式高压多级离心泵的结构

图1为节段式高压多级离心泵的结构示意图。

该离心泵符合API 610—2004 《石油、重化学和天然气工业用离心泵》BB4型结构形式，多级节段式，径向剖分，两端支撑；垂直吸入，垂直吐出，中心线支撑安装方式。泵总体设计符合GB/T 5656—2008 《离心泵技术条件》，参考API 610—2004以及炼厂、化工和石油化工流程用离心泵通用技术条件，整体结构设计采用国内最先进的平焊设计方法，承压件均采用锻造车削焊接成型，缩短了工期，提高了泵的抗震性、运行稳定性，而且承压性能大大提高，抗高温形变性能好，有效避免了铸件结构泵的铸件疏松、砂眼、高温渗水及高温铸件裂纹断裂等缺陷。密封腔按API 682—2014 《离心泵与转子泵用轴封系统》设计，可装各种形式密封，如单端面机械密封、双端面机械密封、串联式机械密封。密封函体设有可供选择的冷却腔，通冷却水冷却密封函体介质温度，延长密封使用寿命。轴向力平衡机构为平衡盘或平衡鼓结构，残余轴向力由推力轴承承受。

笔者针对锅炉给水采用的节段式高压多级离心泵的导叶叶片进行仿真优化，通过调整导叶叶片型线来改变导叶叶片厚度，使导叶流道更符合水力流动，从而指导高压多级离心泵的设计。

2 空间导叶内部流场分析

图2为袁丹青等[7]设计的新型导叶的导叶中间流面速度矢量图。由图2可以看出：从导叶进口到出口液体流速不断降低，在导叶反流道内流速达到最小值并基本保持稳定，这符合液体在导叶中的流动规律。但经过正交试验优化后的导叶，在反流道凸面附近存在低速流动区域，该区域内流动比较复杂、紊乱。图3为该导叶的凸面速度矢量局部放大图。由图3可以看出：导叶从正导叶到反导叶过流面积变化较大，脱流和漩涡现象明显，特别是在导叶后半部分，过流面积扩散比较明显，引起边界层分离、脱流等现象，即该新型空间导叶的正反叶片连接为一体，过流流道长、包角大，且导叶反流道的扩散度较大，流道内逆压梯度大，在靠近导叶出口的凸面，边界层容易产生分离，进而发展成脱流、漩涡等现象[8-9]，边界层分离区的液体速度远小于主流速度，起阻塞作用，因此流动损失较大。为得到更优的导叶模型，笔者针对导叶反流道内部的脱流、漩涡现象进一步分析，对导叶流道进行更进一步的优化。

3 几何模型及优化方法

针对叶轮流道内的漩涡、脱流等现象，众多学者控制流道内部脱流、漩涡现象的主要手段是改变叶片数量、叶片型线、包角等[10-12]，以改变流道的扩散度。笔者针对上述新型空间导叶存在的不足，结合导叶内部流场和导叶流道过流面积变化规律，运用改变导叶叶片型线的设计方法[13]，对导叶叶片后半部分进行加厚处理，减小新型空间导叶反流道内部的扩散度，得到两种新的导叶叶片模型(导叶V2、导叶V3)，原导叶叶片模型为V1。三种导叶叶片的三维模型见图4。

4 数值模拟方法

图5为用ICEM软件建立的三维计算区域结构网格[14]。通过验证网格无关性表明，网格尺寸越小，有限元模拟的结果越容易收敛。将网格导入FLUENT软件[6]中，设定整个流道内部的流场为三维不可压缩稳态黏性湍流流场，建立相对坐标系下时均连续方程和动量方程[15]，选用k-ε湍流两方程，利用标准壁面函数对壁面进行处理；进口边界条件为速度进口，出口边界条件为压力自由出流；压力速度采用SIMPLEC进行耦合。当离散方程的最大残差小于10-4时，可认为模拟收敛。

5 计算结果及分析

5.1 导叶内部流场分析

图6为三种导叶中间回转流面速度矢量平面展开图。

由图6可以看出：整体上，从导叶进口到出口，三种导叶速度均不断减小并趋于稳定。加厚过的导叶V2、V3与原导叶V1相比，在导叶凸面的局部区域，叶片凸面脱流现象得到明显改善，并被控制在靠近凸面很小的区域内，整个流场流速均匀变化。对比加厚过的导叶V2和V3，可以看出两个导叶流道内脱流现象相差不大，但由于V3叶片厚度更大，其扩散度更小。综合分析，通过适度增加导叶叶片后半部分的厚度来减小新型空间导叶反流道内部的扩散度，有助于减轻导叶流道内的脱流现象，使流道内部流场更加稳定均匀。

图7为三种导叶从导叶进口到出口流线上总压力变化趋势(其中，L为导叶进口到出口流线的相对沿程距离)。由图7可以看出：在导叶进口处，受叶轮旋转和进口冲击等因素的影响，总压力在进口很小的区域内波动比较剧烈，之后三种导叶总压力都随流线不断下降，在导叶出口达到最小。在流道的前半部分，三种导叶总压力随流线的变化趋势基本一样，而在流道的后半部分，导叶V1的总压力下降相对比较剧烈，说明该导叶在此处损失较大，而导叶叶片型线改进设计的导叶V2和导叶V3总压力下降相对平缓。对比导叶V2和V3，发现在流道后半部分，导叶V2总压力下降幅度比导叶V3小，且下降更加平缓，说明导叶V2在此处水力损失更小，而导叶V3的叶片厚度较大，流道内流速相对较快，造成流动摩擦损失增大[16]。

图8为导叶V1和V2中间流面流线分布图。由图8可以看出：叶片加厚前的导叶V1反流道内流线主要集中在靠近凹面区域，在导叶凸面区域有明显的漩涡现象，这是由于流体进入反导叶时因转弯段过于平坦而积聚于反导叶凹面附近，并带动凸面附近静止的流体做反向运动而形成漩涡[17]，而优化后的导叶V2流线在整个反流道内分布均匀，漩涡现象得到明显改善。为了提高效率，最终优化方案选取损失最小的导叶V2。

5.2 最优导叶流场分析

图9为最优导叶V2额定工况(即1.0倍体积流量工况)下不同回转流面速度分布的平面展开图，三个不同流面内速度分布规律基本相同。对比发现，靠近内盖板流面液体流动速度最小，靠近外盖板流面液体流动速度最大，但三者相差不大，这是由惯性作用流体介质靠近外盖板流动引起的；三个流面上导叶流道宽度分布略有不同，越靠近外盖板的流面正导叶流道宽度越大，这是因为新型空间导叶的过流断面呈T形。

图10为不同体积流量工况下导叶V2叶片进口区域速度矢量图。由图10可以看出：三种工况下导叶进口叶片处的流动都比较均匀，在0.8倍体积流量工况，流体液流角略小于导叶进口安放角，进口处存在一定冲击现象。叶轮对流体做功, 流体由叶轮出口高速旋转流出进入导流壳, 在导流壳进口附近流速较大, 主要为圆周方向分量。随着体积流量增大，液体流速增大，叶轮出口液流角也随之增大，在1.0倍和1.2倍体积流量工况下，流体液流角基本和导叶进口安放角相同，实现了无冲击入流，内部未发生流动分离现象，证明了导叶进口安放角设计的合理性[18]。

图11是不同体积流量工况下导叶V2中间流面的速度矢量图。在三种体积流量工况下反导叶叶片凸面的速度略小于凹面的速度，这与正导叶内凹凸面速度变化保持一致。体积流量越大，导叶流道内液体的流动速度也越大；反导叶出口处由于流道由径向往轴向过渡，所以流动方向逐步与轴向方向一致[19]。由图11可以看出：在导叶反流道凸面都存在一定脱流现象，但区域很小，对整个流道内流动影响较小。

图12为额定体积流量工况(即1.0倍体积流量工况)下导叶V2出口处的速度分布图。由图12可以看出：导叶V2出口速度分布均匀，没有漩涡、回流等现象，液体流动方向垂直进入下一级叶轮进口，基本消除了速度环量，为下一级叶轮提供了均匀的速度场。

图13为导叶V2中间流面湍动能分布图，整个导叶流道的湍动能都集中在一个比较小的范围内，在导叶进口区域，湍动能梯度相对较大，而在导叶反流道内湍动能基本没有变化。总体上导叶V2能量损失较小，只在导叶进口处的叶片附近存在一定的水力损失，这是由于导叶进口流速较大，流体与叶片和盖板间流动摩擦损失较大。

导叶V2轴截面静压分布图见图14。由图14可以看出：流体进入正导叶后，由于正导叶的扩散作用，使流体的动能逐渐转化为压力能，静压沿流动方向逐渐升高，并在导叶顶端正反导叶过渡部分达到最大值，进入反导叶后由于沿程水力损失，静压略有降低。整体上压力变化均匀，没有局部压力波动，特别是在正反导叶过渡部分，流体静压均匀增加。在导叶出口转弯处，压力梯度较大，这是由于导叶转弯处上下盖板处液体流速分布不同。经过转弯段与反导叶后的流体完成了动能向压力能的转换，速度得以降低，这样可以保证流体进入下一级叶轮时的流速基本保持一致，导叶的导流作用得以体现[20]。

5.3 优化前后多级离心泵外特性对比

图15是新型空间导叶优化前后数值模拟结果的体积流量-扬程曲线对比。两种导叶单级扬程都随着体积流量的增加逐渐降低，优化后的导叶V2的体积流量-扬程曲线变化趋势比优化前的导叶V1变化更加平稳，在小体积流量工况下，导叶V1的单级扬程比导叶V2高3 m，而在1.4倍体积流量工况下，导叶V1的单级扬程比导叶V2低将近20 m，由此看出，优化后的导叶能够在更宽的体积流量工况下满足扬程设计要求。

图16是新型空间导叶优化前后数值模拟结果的体积流量-效率曲线对比。两种导叶体积流量-效率曲线走势基本相同，但是优化后模型的泵效率明显高于优化前模型的泵效率。在小体积流量工况下，两种泵效率曲线相差较小，随着体积流量增大差别逐渐加大，在1.0倍体积流量和1.2倍体积流量工况附近两种泵效率差别较大，导叶V2的泵效率比导叶V1高出5%左右，说明优化后的导叶在额定工况和大体积流量工况优势更加明显。

通过数值模拟得到的新型高压多级离心泵外特性曲线对比可以得出，优化后的导叶V2的水力性能明显优于导叶V1。

6 结语

(1) 通过分析优化模型的内部流场和导叶流道的变化规律，借助数值模拟，运用改变导叶叶片型线的方法对导叶叶片厚度进行调整，使导叶流道的设计更加合理，改善了导叶流道内的脱流现象和导叶凸面区域的漩涡现象，在一定程度上削弱了二次流的影响，减少了能量的耗散，内部流场更加均匀稳定，水力损失更小。

(2) 对优化前后数值模拟结果的体积流量-扬程曲线和体积流量-效率曲线进行对比，可以看出多级离心泵的外特性有一定的提高，优化后的导叶能够在更宽的体积流量工况下满足扬程设计要求，并且在大体积流量工况下优势更加明显，该优化结果可为探索导叶的设计规律、改善内部流动状况、进一步提高多级泵的运行效率和稳定性提供参考。