涡动效应下非对称叶轮结构对离心泵内流影响机制

岑春海 孔冬梅

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

随着生产生活需求的不断提高，对离心泵也提出了高转速、重载荷、连续运转等设计要求。离心泵的转子核心部件是泵转轴与叶轮构成的转子系统[1-2]，而转子系统在长期高效运转中会发生失稳故障，带来各种安全隐患以及造成严重的经济财产损失[3-5]。叶轮作为离心泵转子动力系统的核心部件之一，运行在高温、高压、强腐蚀等极端工况中，长时间的交变应力以及复杂的载荷状况会引起转子故障的产生，因此提高高转速离心泵运行时的可靠性、稳定性和安全性是研发人员在离心泵设计、制造、应用中最重要的考虑因素[6-8]。本文主要采用三维离心泵的涡动旋转模型对不同叶轮结构离心泵在不同涡动情况下的流体域模型进行定常数值模拟分析，研究了叶轮结构、涡动频率比、流量和偏心距等对离心泵内部流场的影响。

1 研究模型

1.1 计算模型

利用三维建模软件CREO 对离心泵进行实体建模，该离心泵的主要性能参数：Q=201.5m3/h、扬程H=57m、转速n=2950r/min。为探究非对称叶轮结构对离心泵稳定性的影响，需要针对原始对称叶轮模型进行方案设计，如图1(a)所示。采用的短叶片为原叶轮扭曲型叶片的2/3，其中沿进口方向切除1/3，根据短叶片偏置理论设计了三种非对称叶轮结构方案，包括24、33、42（上标为长叶片数，下标为短叶片数）三种方案，其中图1(b)为两个长叶片四个短叶片相间不对称分布示意图，图1(c)三个长叶片三个短叶片相间不对称分布示意图，图1(d)为四个长叶片两个短叶片相间不对称分布示意图。

图1 叶轮叶片分布示意图

1.2 控制方程

选取标准k-ε 模型作为计算中的湍流模型[9]。其表达式为：

湍流涡黏度μt可以用湍动能k 和湍流耗散率ε 表示：

其中：Pt为湍动能生成项，常数项为Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09。

2 计算结果及分析

2.1 涡动效应下不同方案离心泵外特性预测

给定涡动频率比ω/Ω=0.4，涡动偏心距e=0.1mm、0.3mm、0.6mm，对不同叶轮结构的离心泵的外特性进行对比。当涡动频率比为0.4 时24、33、42方案的扬程和效率在不同偏心距下相差不大，原模型的扬程和效率在偏心距为0.1mm 和0.3mm 时，扬程和效率的大小及变化趋势也一致；但是当偏心距为0.6mm 时原模型泵的扬程较其它偏心距下降明显，在小流量工况效率高于其它偏心距而当流量超过0.8Qd后效率低于其它偏心距。这说明涡动频率比为0.4 时，原模型叶轮在偏心量较大的情况下对离心泵内部流场影响较大，尤其是小流量工况，泵内部流动较为紊乱，加剧了转子不稳定性；而非对称叶轮结构泵内部流场结构受涡动偏心的影响不大，泵的性能基本相同。

2.2 叶轮流道流线分布

分析偏心距为0.6mm 时不同叶轮结构下离心泵叶轮流道内流场的变化情况，图2 为四种叶轮结构在0.1 倍、0.5 倍、0.9 倍叶高下叶轮流道内流线分布状况。

图2 叶轮流道不同叶高截面的流线分布

从纵向观察各图，各叶轮方案中叶片工作面流速低于非工作面流速，其中原模型叶轮流道内非工作面流速最高。这是因为流体从进口流入叶轮，由于叶片做功将流体从工作面流向非工作面，将机械能转化为动能，非工作面的流速高于工作面，而将对称叶轮的长叶片缩短，叶轮的做功能力略有降低，因而非对称结构叶轮流道内流速略低与原模型。

从横向观察各图，0.1 倍、0.5 倍叶高时，各方案中流道内流速的差较为均匀，而原模型在0.9 倍叶高时，靠近前盖板叶轮进口处有明显的低速区，这是因为泵内流速差较大，泵内部能量交换剧烈，从而使得泵内部能量耗散最为剧烈，而其它方案叶轮流道内没有明显的低速区，能量耗散也比原模型略少。24方案叶轮流道内出现了旋涡，而33方案、42方案叶轮流道内流动状态较好，没有出现旋涡，但33方案流道内速度差较大，而42方案中流速差最小，且与原模型最相近，因此为降低涡动效应对泵内能量损失的影响，应选用42方案。

2.3 涡动频率对稳态流体力的影响

以设计工况点(Q/Qd=1.0)，偏心距e=0.3mm 为例，研究四种叶轮方案中流体力的法向分力和切向分力与流量之间的关系。由图3(a)可得：各方案在不同涡动频率比下的变化幅度都较小。其中，24方案的绝对值在各涡动频率比下都比较小；而其它三个方案的绝对值在各涡动频率比下都较大。这表明设计工况点、偏心距为0.3mm 时，24方案在各涡动频率比下法向振动较小，尤其在大流量工况下几乎没有法向振动。由图3(b)可得：各方案随着涡动频率比增大而减小，但其变化的幅度不大，其中，33方案和24方案受到的较小，为了减小流体力应选用24方案叶轮。

图3 涡动频率比ω/Ω 对流体力分量Fn*和Fτ*的影响曲线

2.4 涡动偏心距对稳态流体力的影响

以设计工况点（Q/Qd=1.0），涡动频率比ω/Ω=0.4 为例，研究了在四种叶轮方案中流体力的法向分力和切向分力Fτ*与涡动偏心距之间的关系。由图4(a)可得：当e＜0.3mm 时除24方案以外各方案绝对值随着偏心距的增大而增大；当e>0.3mm 时原模型和42方案绝对值随着偏心距的增大而减小，而24方案和33方案绝对值随着偏心距增大而增大。总体看来上述各方案变化幅度都不大，其中24方案的绝对值在各偏心距下最小。这表明涡动效应下24方案叶轮在泵内法向振动比其它方案小。由图4(b)可得：各方案中随着涡动偏心距的增加而不断减小。其中24方案和33方案的较小，原模型和42方案的较大，这表明短叶片个数越多泵内受到的切向流体激振力越小。

图4 偏心距e 对流体力分量Fn*和Fτ*的影响曲线

3 结论

涡动频率比为0.4 时，大偏心距对原模型的性能影响很大，泵的扬程在各流量均下降，效率在小流量略有升高大流量反而在下降；而非对称叶轮结构的泵在不同偏心距下，泵的扬程、效率特性基本相同。

设计工况点、涡动频率比为0.4 时，原模型内部流场结构受大涡动偏心距影响较大。而采用非对称叶轮结构，可有效降低涡动偏心距对离心泵内部流场变化的影响，使得叶轮流道内速度分布比原模型均匀，并且选用42方案时，离心泵内压力梯度最小，压力分布均匀性最优。

偏心距对法向流体力的影响不大，而切向流体力随着涡动偏心距的增加而不断减小。涡动频率发生变化时，法向流体力和切向流体力均不随之变化。