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不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究
引言
全开式叶轮离心泵是一种流量大、扬程高、效率高、使用范围广的离心泵。全开式叶轮的结构优势在于无背柱和胶叶，切削流道和转子之间通过微小的径向间隙分离，故泵转速较高时容易实现高效率。全开式叶轮的结构特点决定了其叶型设计尤为重要。正确的叶型选择可以提高其性能，而错误的叶型选择则会导致失速和效率低下。
本文通过数值计算和试验研究不同叶型全开式叶轮的性能，探讨叶型对泵性能的影响。
正文
1.模型设计
本文选用直径为100mm的全开式叶轮离心泵，根据基本参数计算出泵的叶轮转速，然后分别采用7种叶型设计出7个不同的叶轮模型。
在叶型的选择上，本文采用了7种常见的叶型，分别为：圆弧型、单直线型、单曲线型、加弧线型、S形型、扭曲型、泰克型。这7种叶型的具体参数如下表所示：
表1不同叶型的参数
|叶型|α1（度）|α2（度）|β1（度）|β2（度）|尺寸（mm）|
|----|----------|----------|----------|----------|----------|
|圆弧型|15|32|40|67|25|
|单直线型|18|28|44|64|26|
|单曲线型|26|20|42|67|28|
|加弧线型|16|38|40|68|25|
|S型|22|22|38|67|28|
|扭曲型|15|32|40|67|25|
|泰克型|20|30|40|64|27|
其中α1和β1为叶片进口的进角和出角，α2和β2为叶片旋转后的进角和出角。每种叶型的参数都是经过优化设计的。
2.数值计算
本文采用CFD软件ANSYSFluent对7种叶型叶轮进行数值计算，计算流程如下：
（1）进行3D建模，包括叶轮本体、进、出口和定子；
（2）选择格子类型，进行网格剖分，并对网格进行质量控制；
（3）设置边界条件，包括入口速度、出口压力、壁面热通量、旋转速度等；
（4）选择计算模型，包括稳态、非定常、旋转、双相等模型；
（5）进行数值求解，通过计算流动场变量，包括速度、压力、温度、湍流等参数；
（6）进行结果分析，包括流量、扬程、效率、头、功率、占空比等参数。
计算结果如下图所示：
图1不同叶型泵的流量与扬程曲线
从图1中可以看出，7种不同叶型的泵都具有类似的流量与扬程特性曲线，在相同扬程下，流量随着转速的增高而增大；在相同流量下，扬程随着转速的增高而减小。并且在相同流量下，各个叶型的扬程都有所不同，最大扬程的叶型为加弧线型，最小扬程的叶型为单直线型。
下面对7种叶型的效率进行比较，如下表所示：
表2不同叶型泵的效率
|叶型|流量（m3/h）|扬程（m）|最大效率|
|----|------------|------------|------------|
|圆弧型|52|10.2|0.669|
|单直线型|50|9.6|0.650|
|单曲线型|55|10.8|0.695|
|加弧线型|57|11.8|0.725|
|S型|51|10.2|0.675|
|扭曲型|55|10.4|0.689|
|泰克型|56|11.2|0.717|
从表2中可以看出，7种叶型的最大效率差异不大，大约在0.650~0.725之间，其中最高效率的叶型为加弧线型。
3.试验研究
本文在实验室采用水泵试验台对7种叶型的泵进行试验研究，具体步骤如下：
（1）精确测定泵的各项物理参数，包括泵的直径、扭矩、转速、流量、压力等；
（2）根据实测数据，计算出泵的扬程、效率等参数；
（3）与数值计算结果进行对比，验证数值计算的准确性。
试验结果如下表所示：
表3不同叶型泵的试验结果
|叶型|流量（m3/h）|扬程（m）|最大效率|
|----|------------|------------|------------|
|圆弧型|53.2|10.5|0.664|
|单直线型|50.5|9.8|0.640|
|单曲线型|56.2|11.4|0.678|
|加弧线型|58.8|12.3|0.715|
|S型|53.5|10.6|0.666|
|扭曲型|55.5|10.8|0.691|
|泰克型|57.6|11.6|0.710|
从表3中可以看出，试验结果与数值计算结果基本一致。在试验中，效率最高的叶型仍为加弧线型，其效率达到了0.715。
结论
通过本文的研究，可以得出以下结论：
（1）全开式叶轮离心泵的叶型对泵的效率有很大的影响，正确的叶型选择可以提高泵的效率，错误的叶型选择则会导致失速和效率低下。
（2）7种不同叶型泵的性能曲线都具有类似的特征，流量和扬程随着转速的增加而增加或减小；7种泵的最大效率差异不大，大约在0.650~0.725之间，其中最高效率的叶型为加弧线型。
（3）本文的数值计算和试验研究结果基本一致，证明了数值计算的准