為提高水泵的效率，提出了采用高效、泄漏損失小的閉式葉輪，配套設(shè)計空間導葉。本項目水力部件是2種葉輪和4種導葉體進行組合，有8種水力設(shè)計方案。利用CFD分析工具進行潛水混流泵水力性能預(yù)測，篩選確定了最優(yōu)水力設(shè)計方案生產(chǎn)樣機。

一、前言

　　潛水混流泵水力部件包括葉輪和導葉體。通常的水力設(shè)計方法是利用已有的干式混流泵開式葉輪的水力模型進行相似換算，得到實際泵葉輪水力圖并且重新設(shè)計導葉體。這樣的設(shè)計方法缺點在于：干式泵導葉出口是一個很細的軸，而潛水泵出口是潛水電動機，干式泵水力模型并不符合潛水泵的流體規(guī)律。開式葉輪葉片和輪轂是分開鑄造加工，后期組裝，加工精度要求高。這樣生產(chǎn)的水泵測試水力效率低，高效區(qū)窄，流量達不到指標。現(xiàn)有一工廠工藝取水提升泵，要求水泵高效節(jié)能，流量大，高效區(qū)寬。如使用現(xiàn)有的水力模型必然滿足不了要求，必須重新設(shè)計高效的潛水混流泵。該項目設(shè)計了多個水力設(shè)計方案，為減少開模費用和周期，利用CFD分析工具進行水力性能分析預(yù)測篩選，確定最優(yōu)化的水力設(shè)計方案。潛水混流泵樣機的設(shè)計參數(shù)如下：

　　流量：2000m3/h;設(shè)計點揚程：8.5m;轉(zhuǎn)速：735r/min;水泵效率：≥75%;配套電動機功率：≤75kW。

二、潛水混流泵水力部件設(shè)計方案

　　1.潛水混流泵葉輪設(shè)計

　　在參考優(yōu)秀的混流泵水力模型的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計高效的閉式固定葉片的混流泵葉輪。葉片輪轂整體鑄造，葉輪有前后蓋板。這樣避免了泄漏損失，易于生產(chǎn)加工。葉輪葉片數(shù)采用4片和5片兩個水力設(shè)計方案，葉輪葉片使用扭曲三角形設(shè)計方法。

　　2.潛水混流泵導葉設(shè)計

　　潛水混流泵導葉采用空間導葉，空間導葉和其他導葉類似，尤其是和流道式導葉更相似�？臻g導葉起到整個壓水室的作用，將葉輪出口處的液體收集起來輸送到出水管路，同時將速度能變?yōu)閴毫δ��？臻g導葉繪型采用扭曲三角形法。

　　長導葉葉片比較長。短導葉葉片較短，導葉葉片距離導葉體出口預(yù)留水流擴散的距離。本項目導葉體一共4種設(shè)計方案：791翼型加厚長導葉、圓弧翼型加厚長導葉、791翼型加厚短導葉和圓弧翼型加厚短導葉。

　　3.設(shè)計方案

　　按照2種葉輪和4種導葉設(shè)計方案進行組合得到8種水力設(shè)計方案，見表1。

表1 水力設(shè)計方案

　　8種水力設(shè)計方案如果每個都要開模制作樣機，開發(fā)周期長，成本高�，F(xiàn)在利用CFD分析預(yù)測水泵的性能，大大節(jié)省了設(shè)計周期和費用。

　　4.利用CFD分析進行水泵性能預(yù)測

　　潛水混流泵內(nèi)部為復(fù)雜的三維湍流流動。利用CFD分析工具對該泵水力部件進行內(nèi)部流場分析，對設(shè)計的潛水混流泵進行水泵性能預(yù)測。求解器為ANSYSCFX12.1，定常求解，計算選用Standardk-湍流模型，收斂精度為1.0×10-4。8種水力設(shè)計方案最優(yōu)工況點CFD性能預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 各方案CFD計算結(jié)果

　　根據(jù)8種水力設(shè)計方案達到設(shè)計流量點高效點預(yù)測結(jié)果分析如下：方案A～D(即4葉片的葉輪)比方案E～H(5葉片的葉輪)效率要高，5葉片的水力方案比4葉片揚程偏高。方案A在設(shè)計流量Q0=2000m3/h時，CFD預(yù)測的揚程為8.79m，預(yù)測最高效率為83.25%，預(yù)測值扣除擴散損失及容積損失及加工誤差可得實際綜合效率78%左右，要求設(shè)計揚程8.5m基本符合設(shè)計工況點在高效點，該方案CFD計算參數(shù)見表3。

表3 CFD預(yù)測得到方案A的水泵性能參數(shù)

三、結(jié)語

　　1)CFD分析應(yīng)用在潛水混流泵水力設(shè)計中能夠降低設(shè)計周期成本，可通過模擬流態(tài)和數(shù)據(jù)分析篩選優(yōu)秀的水力模型。

　　2)潛水混流泵閉式葉輪相對于常用的開式葉輪能減少了葉輪的泄漏損失，改善了水泵的流態(tài)，提高了潛水泵的水泵效率。

　　3)潛水混流泵葉片數(shù)越多，達到設(shè)計點流量、揚程越高，葉輪出口速度增大，水力損失增大，效率下降。

　　4)潛水混流泵的導葉選擇長導葉和短導葉對水泵的效率影響不大，導葉葉片的長短可根據(jù)水泵結(jié)構(gòu)的需要來確定。

　　5)導葉葉片采用791翼型原理加厚，水力效率稍高，但和圓弧翼型加厚效果相差不大。