基于数值模拟的轴流泵效率分析

吴 辉 殷 旺 杨可乐 阳 勇 滕 磊 刘 婷

（湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 前言

轴流泵一般是用于城市给排水、农业灌溉等低扬程、大流量的情况[1]。轴流泵在设计工况下可以高效、稳定运行，但当其运行环境发生变化时，运行会出现能量性能下降、压力脉动和振动剧烈等问题。可以通过调节叶轮转速等方法，对水泵运行工况点进行改变，使原额定转速下的非设计工况可以转为较优运行工况。目前，国内外学者对轴流泵的优化设计进行了大量研究，发现轴流泵的比转速为500r/min～2 000r/min 时，其动力性能较好[2]。

首先，工农业生产中要求轴流泵在不同的环境中尽量保持较高的工作效率，不会因地理环境天气气候等自然因素，导致无法正常工作或者减少轴流泵的使用寿命，不能对环境造成过度污染，使自然动物植物的生活环境被破坏；其次，轴流泵材料的材质以及零件的精度都要准确无误；再次，大型关键轴流泵的要求更高，一旦出现事故就可能造成巨大的损失。总之，要求轴流泵能够广泛适用于多种情况，还要尽可能地提高轴流泵的工作效率，使其具有节约能源的特点，同时要保证轴流泵能够稳定运行，在复杂环境下不出现大的故障[3]。

1 轴流泵的基本构造

轴流泵内部有叶轮旋转，泵的外壳直径和吸水口处的直径相近。

1.1 吸入管

吸入管是轴流泵吸水的管子，一般是喇叭管，主要是为了让流体可以更好地进入轴流泵。

1.2 叶轮

叶轮是轴流泵最重要的部分之一，对轴流泵的工作效率有很大的影响。一个好的叶轮往往可以大大提升一个轴流泵的效率。轴流泵的叶轮是轴流泵中的一个转轮,按照其是否能调节可分为3 种：不能调节的固定式和可以调节的半调式以及可以调节的全调式。一般来说不能调节的固定式叶轮会在一些固定的情况中使用，而半调式与全调试就是角度的开展问题，拥有这种叶轮的轴流泵更加复杂，可适用的情况也更多。全调式的叶轮一般适用于大型的轴流泵，要面对的工作环境复杂且易变，需要通过改变叶轮角度的方法，使轴流泵可以更好地工作，从而发挥其稳定的工作效率。

1.3 导叶

导叶会安装在叶轮泵壳上。在轴流泵中，流体随着轴流泵管内结构的不断运动而做旋转运动。叶片是固定在泵壳上不动的，水流经过叶片时，就消除了旋转运动，把旋转的动能变为压力能。轴流泵一般拥有6～12 片叶片。轴流泵叶片的作用就是改变叶轮中向上流出的流体的运动方式，将旋转运动变为轴向运动。

1.4 轴和轴承

轴流泵的泵轴主要是用来传递扭矩，而轴承的形状较多，大部分形状设计的目的是让轴与轴承之间的运动更加灵活，更加符合轴和轴承的功能。轴承的第一个功能是导轴承，主要是保证轴流泵能够承受足够的径向力，从而起到轴流泵径向稳定的作用；第二个功能是推力轴承，是轴流泵用来承受水流压力冲击的核心部件，水流压力通过叶片旋转将向下的重力转化成旋转动力，轴流泵转动稳定了转轮的泵内位置，将流体的重力与转轮的旋转势能传到轴流泵的下个组件。

1.5 密封装置

密封装置通常设置在轴流泵出水口上连接的弯曲管轴孔处，就我国目前的状况来看，密封装置的材料通常是压盖填料型。轴流泵及混流泵都是叶片式，泵中比、转速比较高的水泵，它们的特点是属于中、大流量和中、低扬程，特别是轴流泵，扬程一般仅为4 m～15 m。轴流泵在城市给水排水工程中发挥了重要作用，轴流泵解决了火力发电站废水排放、城市排污排涝以及引入工程中的一些大型泵站性能提升的问题，在这些地方轴流泵的适用性强，能解决许多问题。

在轴流泵工作时，水流会浸没机翼，水流在机器内快速流动时，翼面会产生负压力，翼背会产生正压力，压力在机翼上运转产生一个角度时，及迎角会随着流体速度的变化而改变。

在轴流泵工作时，流体不动或者水流速度太小，而机翼以相等速度在流体中运动，翼背和翼面受到与之前相同的正压和负压，即翼面（机翼上面）为负压，翼背为正压。在该压力作用下机翼将获得升力。

将机翼形的桨叶固定在转轴上，形成螺旋桨，并使之不能沿轴向移动，当轴流泵的转轴高速旋转时，翼面（螺旋桨下侧）因负压力而产生吸流作用，翼背因正压力而产生排流作用，轴流泵的翼面因受压力的牵引，轴流泵的翼面在水流中一吸一排，进而形成了液体的流动。

轴流泵的运行主要分为3 个步骤：充水、启动和停止。

1.6 充水

在中、小型轴流泵中，特别是卧式轴流泵或小型立式轴流泵，这2 种轴流泵的机器大都安装在高于水面的位置上，因此，它在开始启动以前，泵壳和吸入喇叭口没有把水充满，无法直接开启轴流泵，需要先把水充满。同样，在有空气存在的情况下，轴流泵的泵内空间和吸入管就无法形成真空。因此，一般都需要另设1 台或几台电动真空泵来辅助轴流泵运行启动，利用它们将轴流泵的泵壳和吸入喇叭口里面的空气抽出来，形成真空条件，从而达到充水的目的。

大型立式轴流泵一般都安装在低于水面的位置，因此泵壳、叶轮和吸入喇叭口均浸没在液体中，无须在起动前先充满水，也不需要电动真空泵抽真空来辅助轴流泵的启动，轴流泵便能迅速启动，这也是轴流泵的特点之一，有利于达到自动启动程序的目的。

1.7 启动

轴流泵的启动与离心泵相似，没有太大区别。轴流泵和离心泵的区别是各种类型的离心泵在启动时，出口阀门都处在关闭状态，而轴流泵的出口阀门则在开启状态。轴流泵的启动方式与离心泵差别很小，产生这种结果的原因是轴流泵在运行工作的过程中，当流量为0 时，轴流泵的功率会达到额定功率的2 倍或2 倍以上；轴流泵功率过大，会加快轴流泵零件汽蚀的产生，轴流泵的功率一旦过大，流体的入口角和相对叶轮叶片的偏离角就会增大，叶片会因所受水流冲击力大而引起脱流现象，只有在轴流泵达到一定的水力效率时，轴流泵的汽化腐蚀才会降低。

1.8 停止

轴流泵工作结束后，叶片停止运行。

2 fluent建模与设置

2.1 泵效率计算

泵效率如公式（1）所示。

式中：η为水泵效率；P为轴功率；Pe为泵有效功率。

2.2 控制方程

轴流泵内流场采用RNG k-ε 湍流模型进行计算，模型的控制方程如公式（2）所示，动量方程如公式（3）所示。

连续性方程如公式（4）所示。

湍动能k方程如公式（5）～公式（6）所示。

k-ε模型常数为Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.00，σs=1.30。

2.3 轴流泵几何模型

轴流泵在工作时将机翼悬挂在流体中，流体以一定速度流过时，翼面会产生负压，翼背会产生正压，在轴流泵正、负压力的大小与翼形、迎角（叶片背面和液流方向之间的倾角）以及流体速度的大小有关。如果流体不动，机翼以相等速度在流体中运动时，则会使翼背和翼面受到与之前相同的正压和负压，即翼面（机翼上面）为负压，翼背为正压；在该压力的作用下，机翼将获得升力。如果将机翼形的桨叶固定在转轴上，形成螺旋桨，使其不能沿轴向移动，那么当转轴高速旋转时，翼面（螺旋桨下侧）就会因负压而发挥吸引流向的作用，翼背会因正压而发挥排流作用，一吸一排造成了液体（或气体）的流动[4-6]。

图1 是轴流泵的三维模型示意图，叶轮的进口直径为590 mm，叶轮轴直径为175 mm，进口段长度为200 mm，出口段长度为100 mm，叶片数为5，设计点转速为780 r/min，扬程为6.1 m，流量为5 315 m³/h。

图1 轴流泵模型图

2.4 边界条件设置

当轴流泵装置在初始化设计标准的情况下运行时，轴流泵工作高效、稳定，但当其运行环境发生变化时，轴流泵装置运行会出现质量效率降低、受力不平均和高频率抖动等很多不稳定因素。该文主要通过fluent 软件模拟轴流泵的工作原理，然后通过调节出口压力和调节叶轮转速的参数来改变轴流泵装置运行的工况点，使得在转速不变的非标准工况运行情况下，正常运行的轴流泵的效率不会降太多或者在轴流泵出口压力不变时通过改变转速得出轴流泵的最优工作效率。

由于叶轮具有周期性，因此简化计算模型，取叶轮的1/5 进行研究。采用单流道周期性边界模型来计算叶轮内部流场，设置进口边界inlet、出口边界outlet、轮毂面hub，机匣面shroud、周期性边界periodic 以及叶片blade，如图2 所示。

图2 边界条件

2.5 求解器设置

求解器采用基于压力耦合方程组的隐式求解器，该扩散项是由中心差分格式进行离散，离散系统由高斯-赛德尔迭代法计算，并且时间离散迭代方法使用多个Runge-Kutta 显式格式迭代，所有的对流项均使用精度较高的二阶迎风格式离散求解。由于轴流泵内部流场的复杂性，因此选择RNG作为湍流模型进行计算。

3 模拟结果

3.1 泵效率流量性能曲线

在不同的出口压力下，轴流泵的效率随着转速的变化而改变，当背压为125 000 Pa 和130 000 Pa 时，轴流泵的转速-效率关系如图3 所示。

图3 背压-转速-效率曲线

由图3 可知，背压为125 000 Pa 时，随着转速增加，轴流泵效率也随之增加，当转速继续增加到860 r/min 时，达到顶峰，当转速继续增加，轴流泵的效率反而下降，这是因为继续提高转速会导致高速流体与泵摩擦消耗的能量大幅度增加。背压为130 000 Pa、轴流泵转速为940 r/min 时，效率达到顶点，继续增大转速，反而导致效率降低。比较2 条曲线可以看出，当转速低于920 r/min 时，相同转速的轴流泵在不同背压环境下，效率具有较大差别。

3.2 叶轮压力分布云图

图4 为125 000 Pa 背压下叶轮压力云图，从图4 中可以看出叶片前缘的压力明显高于叶片后缘的压力，随着转速的增加，叶片整体的颜色趋于浅色，说明叶片所受压力随着转速的增加而增加。转速越快，叶轮传递给流体的动能越大，所受反作用力也越大，符合流体力学。

图4 125 000 pa 叶轮压力云图

图5 为130 000 Pa 背压下叶轮压力云图，从图5 中可以看出基本规律与图4 基本相同，对比图4 和图5，130 000 Pa背压下叶轮的压力明显小于125 000 Pa背压下叶轮所受的压力，这是因为背压越大，流体在出口时所受反向压力越大，抵消了一部分叶轮提供的动能。

图5 130 000 Pa 叶轮压力云图

4 结论

该文通过基于不同背压的轴流泵的流场进行三维数值模拟，得到了轴流泵内流场分布规律及轴流泵的背压、转速与效率之间的关系线。结果表明，在相同的背压下，转速的变化对轴流泵的效率有较大影响，且不同背压对轴流泵的最大效率也有影响：1）当背压为125 000 Pa 时，转速为860 r/min 的轴流泵效率最高，约为93.64%。2）当背压升到130 000 Pa 时，轴流泵在转速为900 r/min 时效率最高，约为92.72%。3）叶片在130 000 Pa 背压环境比在125 000 Pa 背压环境下所受的压力更小。