出口環(huán)量分布對(duì)混流泵性能的影響

混流泵 常書(shū)平 總裝備部車船裝備論證試驗(yàn)研究所

  為了提高設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)混流泵性能的可控制程度,開(kāi)展了出口環(huán)量分布規(guī)律對(duì)混流泵性能的影響研究;谌丛O(shè)計(jì)理論,將環(huán)量Vur 在軸面流線方向上的偏導(dǎo)數(shù)作為載荷分布的控制參數(shù),根據(jù)出口環(huán)量分布規(guī)律的不同設(shè)計(jì)了平均型、遞增型和遞減型3 個(gè)混流泵葉輪;诶字Z時(shí)均Navier-Stokes 方程、SST 湍流模型和多重參考坐標(biāo)系模型對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)泵的效率、空化、葉輪出口的總壓及軸面速度沿葉高的分布規(guī)律進(jìn)行比較與分析。結(jié)果表明:遞增型泵效率最高但空化最差,遞減型泵性能正好相反;基于變出口環(huán)量分布的三元反設(shè)計(jì)方法能有效控制葉片不同葉高處的做功能力,遞增型葉輪出口的總壓和軸面速度隨半徑增加而增加的速度最快。

  混流泵越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,但混流泵的開(kāi)發(fā)與離心泵和軸流泵相比,還有較大差距。環(huán)量Vur 作為葉片載荷的控制參數(shù),其分布規(guī)律對(duì)混流泵性能有重要影響。近些年來(lái)有較多的研究是在葉輪設(shè)計(jì)完成后再通過(guò)葉片形狀參數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化,但在設(shè)計(jì)過(guò)程中就通過(guò)載荷參數(shù)的合理分配以得到性能優(yōu)良的混流泵的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道,F(xiàn)階段,設(shè)計(jì)者對(duì)環(huán)量Vur 的分布規(guī)律缺少經(jīng)驗(yàn),往往需要大量的試驗(yàn)修正才能得到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

  為了提高設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)混流泵性能的可控制程度,很有必要開(kāi)展出口環(huán)量Vur 的分布規(guī)律對(duì)混流泵性能影響的研究。文中以比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449的混流泵葉輪設(shè)計(jì)為例,在給定軸面流道形狀和葉片導(dǎo)邊、隨邊位置的前提下,采用不同的出口環(huán)量Vur 分布規(guī)律設(shè)計(jì)出了3 型葉輪。通過(guò)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬,比較和分析出口環(huán)量Vur分布規(guī)律對(duì)泵的效率、空化、出口總壓和出口軸面速度分布特性的影響。

1、葉輪出口環(huán)量分布表示形式

  葉片三元反設(shè)計(jì)的基本思想是:在葉輪內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定、無(wú)粘性且不可壓縮的假定前提下,把其內(nèi)部的三維流動(dòng)分解為周向平均流動(dòng)和周向脈動(dòng)流動(dòng),用置于葉片中心面上的渦代替葉片對(duì)流場(chǎng)的作用,葉片形狀以滿足流動(dòng)邊界條件而迭代確定。

  本文設(shè)計(jì)的混流泵參數(shù)為: 流量Q=0.57m3/s,揚(yáng)程H=34.7m,轉(zhuǎn)速n=2330r/min,比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449。在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中需要指定以下條件:

  (1)葉輪的軸面輪廓,包括輪轂、輪緣和葉片的進(jìn)、出口邊。文中葉輪的軸面輪廓如圖1所示, 進(jìn)口直徑D1=266mm , 出口直徑D2=334mm。

葉輪軸面輪廓

圖1 葉輪軸面輪廓

1.出口邊 2.輪緣 3.進(jìn)口邊 4.輪轂

  (2)從輪轂到輪緣的各條軸面流線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)扭角的分布規(guī)律。文中設(shè)定各軸面流線上出口點(diǎn)的扭角都為0°,即葉片隨邊與輪轂、輪緣曲面垂直。

  (3)葉厚分布。按照有較好抗汽蝕性能的NACA16 翼型厚度變化規(guī)律進(jìn)行葉片加厚。

  (4)葉片的載荷沿軸面流線的分布。葉片的載荷(即葉片壓力面與吸力面的壓力差)與Vur在軸面流線方向上的偏導(dǎo)數(shù)密切相關(guān),它們滿足關(guān)系式

出口環(huán)量分布對(duì)混流泵性能的影響

  式中:Vm—軸面平均速度;Vu—周向平均速度;p+、p-—葉片壓力面、吸力面的靜壓;B—葉片數(shù);m—軸面流線相對(duì)位置,m=0 表示導(dǎo)邊,m=1表示隨邊。因此給定載荷分布規(guī)律即是給定( ) / u V r m沿軸面流線的分布規(guī)律。通常將Vur除以ωr2s2 作無(wú)量綱化處理,其中r2s 為葉片隨邊輪緣處的半徑。葉片載荷沿軸面流線的分布理論上要滿足以下原則:

出口環(huán)量分布對(duì)混流泵性能的影響

  文中采用對(duì)稱軸相同的兩段拋物線來(lái)描述載荷沿軸面流線的分布規(guī)律,各條流線上葉片最大載荷都位于m=0.2 處,由此積分可得到相應(yīng)的環(huán)量沿軸面流線的分布,如圖2 所示。

載荷沿軸面流線的分布

圖2 載荷沿軸面流線的分布

結(jié)論

  (1)采用出口環(huán)量分布規(guī)律作為混流泵設(shè)計(jì)的控制參數(shù)是合理的,它能改變?nèi)~片上不同葉高處的做功能力,這樣可有效提高設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)泵性能的可控制程度。

  (2)出口環(huán)量分布形式對(duì)所設(shè)計(jì)混流泵的效率和空化性能有重要影響,遞增型泵效率最高但不利于保證空化性能。工程中,往往需要根據(jù)葉輪的應(yīng)用場(chǎng)合而對(duì)泵的效率和空化性能做出合理取舍,才能正確的分配葉輪出口的環(huán)量。

  (3)CFD 技術(shù)可對(duì)新設(shè)計(jì)泵的性能進(jìn)行快速預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià),并為改變?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中的環(huán)量分布等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)泵性能的優(yōu)化提供合理建議。