混流泵叶轮设计关键参数分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 作者:邴浩

  基于正反问题迭代设计方法,通过给定不同的速度矩分布规律、叶片进出口边位置等关键参数,设计了一系列混流泵叶轮。在此基础上,基于SIMPLEC 算法,通过求解Naiver-Stokes 方程和RNG k - ε 湍流模型方程,模拟了叶轮内的三维湍流流场,获得了采用不同关键参数时叶轮内的速度与压力分布。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)针对数值模拟结果,分析了关键参数对于叶轮设计的影响。结果表明:基于类抛物型速度矩分布规律设计的叶片对于流体运动方向的控制能力最强,具有最优的水力性能;叶片进、出口边轴面距离适当增大有利于改善内部流动,水力效率可获得提升,但当距离过大时,会因表面摩擦损失增加导致效率下降。

  混流泵是一种广泛应用于污水处理、水利水电工程、电站循环水系统等方面的泵型。其介于离心泵轴流泵之间,有效地吸收了两者的优点,并弥补了两者的缺点。然而,目前混流泵设计过程中一些关键参数( 如:速度矩分布规律、叶片进出口边位置等) 的给定较多依赖于设计者的经验。本文基于正反问题迭代设计方法,通过给定不同参数设计了一系列混流泵叶轮,并通过模拟不同参数下叶轮内的三维流流场,分析关键参数对叶轮设计的影响,为设计工作提供了有益的借鉴。

  1、混流泵叶轮设计

  传统设计方法在计算轴面速度时,在一定假设下,采用轴面流线迭代法,求解轴面速度沿任意准正交线的梯度方程。然而,这种计算方法满足过流通道内流体的连续方程。为使轴面流场同时满足叶轮内流体运动的连续方程与运动方程,本文通过S1与S2流面迭代计算求解轴面流场,控制方程为:

混流泵叶轮设计关键参数分析

  式中:τ为叶片的排挤系数;W 为流体运动的相对速度矢量;C 为流体运动的绝对速度矢量,F 为单位质量流体的质量力;Er为单位质量流体相对运动的机械能。

  两类相对流面迭代计算收敛后,得到轴面速度分布,采用逐点积分法完成叶片骨线绘型,在保角变换平面内对叶片骨面进行加厚,并对叶片头部及尾部进行修圆,完成新一轮叶轮的反问题设计。正反问题迭代设计方法具体步骤如下:①基于传统的二元理论设计初始叶轮。②进行正问题计算,得到同时满足流体连续方程与运动方程的轴面流场。③基于正问题计算所得的轴面速度分布完成反问题设计,得到新的叶轮。重复步骤②、③,直到前后两轮反问题设计所得叶片的轴面截线最大位置偏差满足要求。本文选取混流泵叶轮的设计参数为:流量0. 54m3 /s,扬程25m,转速1450r /min。

  结论

  1) 基于类抛物型速度矩分布规律设计的叶片对于流体运动的控制能力强,有效地避免流动分离现象的产生,改善了叶轮内部流动,并提升了叶轮的水力性能。相比S 型和类直线型速度矩分布规律,类抛物型分布规律具有明显的优势,应当是速度矩的一种最优分布形式。

  2) 叶片出口边位置的选择对于叶轮水力性能有重要的影响。在一定范围内,随着叶片出口边与进口边轴面距离增大,叶轮水力效率会得到提升,但增幅会逐渐减小。当进出口边距离增大到一定程度时,叶片包角过大,导致表面摩擦损失急剧增加,水力效率反而会下降。

  3) 叶片进口边位置在一定范围内适当前移,有利于改善叶轮内部压力分布,可以提升叶轮水力效率。但进口边前移距离过大时,进出口边在轮毂所截轴面流线过长,叶片轴面投影面积过大,反而会导致叶轮水力效率下降。

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