低比转速离心泵叶轮设计及流动分析.docx

低比转速离心泵叶轮设计及流动分析郭攀史洪伟宋传智摘要：低比转速离心泵流量小、扬程高，在化工生产、居民用水、农业浇灌以及船舶与航天范围都有广泛的应用.正是由于它的工作特点，使得低比转速离心泵叶轮具有较为狭长的流道构造，这就加大了离心泵的机械损失.叶轮是离心泵的核心过流元件，一个优秀泵的叶轮几何设计必然是一个泵的综合性能设计体现.流体在叶轮上的流场非常繁杂，这就导致了其对泵的性能的影响参数较多，传统的设计和试验方法难以对流体运动做出精确的分析，采用合理的设计方法以及优秀的分析手段来研究各影响要素与离心泵性能优劣的关系是设计出一个优秀离心泵的前提.本文对此进行了分析探讨，以供借鉴参考.关键词：低比转速;离心泵;叶轮;流动分析：TH311：A：1673-260X（2020）08-0025-051引言近些年化工行业的飞速发展，使得泵类设备的设计与使用愈发广泛.在城市给水、灌溉排水、精细化工、航空工程及船舶工程等行业的流体输送、农业生产、冷却系统及水力循环等领域均有应用.工业生产用泵不仅数量巨大、种类繁多，且因使用环境复杂各异，其性能参数也各不相同.其中，低比转速离心泵的比转速ns处于30至80之中，ns小反映其流量小、扬程高，并具有结构简单、质量轻、体积小、低噪声以及维修方便等特点，在设计中常采用圆柱形叶片[1].低比转速离心泵中，主要的做功效率损失就归于叶轮本身的机械损失.其机能的好坏直接牵连着能量利用率与生产效率的提升，对工业的进步具有明显的促进效果.因此，如何设计出一个符合生产需要的优秀离心泵叶轮，达到消除扬程曲线驼峰、汽蚀现象及提高工作效率等目的，是当前设计人员对该种类型泵探究的关键问题[2].设计人员通常采用相似理论法进行产品的参数设计，但是到目前为止并未完全准确的掌握液体在离心泵内的流动方式，所有的设计都成立在设计人员较为丰富的理论知识和设计经验之上，并被已有泵的设计水平所限制[3].在对一台设计好的离心泵进行性能试验时，因为试验的成本及条件的限制，并不能很好的完成对产品的直接测试.CFD技术的运用很好的促使了理论计算、试验探究与仿真模拟共同解决液体的运动问题.在模型设计阶段对其进行数值仿真，可预估其使用效能，还能了解其内部液体运动的不稳定情况，掌握其流动规律.低比转速离心泵内部流体流场的复杂性，对离心泵叶轮数值模拟具有非常重要的理论意义和应用价值.离心泵的应用价值巨大，能完善且高效率的设计出一个优秀的离心泵是十分必要的.2低比轉速离心泵叶轮内部流体流动情况2.1叶轮内部流动的研究叶轮是离心泵的“心脏”，离心泵水力设计可以简单归纳为一个具有高效率和满足性能要求的叶轮水力设计，流体在叶轮内的流动是复杂非线性的方式，理论计算很能实现对叶轮内部流体状态的精确测算.因此，有必要采取一定的技术明白液体在叶轮上的流动方式，清楚其内部繁杂的流场情况，并结合理论和试验的方式探究液体在叶轮上的流动规则，如速度和压力走向等，以此树立叶轮有效的设计思想.当前，CFD数值模拟方法、理论分析法和试验观测法组成了分析和认识离心泵内部流体流动的研究设计方法.三者各有各的适用场所和优点，形成了一套研究流体状态的完整体系.2.2叶轮内部流动分析2.2.1离心泵的尾流-射流结构泵的叶轮是以有限个叶片所构成，邻近的叶片之间为它的液体流道.液体在其内流动，在其壁面形成边界层，叶片对它的夹持力度相对减弱，导致流体不能完全被约束，结合流体粘性力，流体的惯性就会表现出来.如果把此时液体在叶轮中的流动进行分解，除了均匀的对应流动外，还存留着相对的轴向旋涡转动，它的回转方向和叶轮相反.运动的叠加及哥氏力等原因，经过边界层成长、二次流生长及流道分层效果的彼此作用，使泵类叶轮内部形成尾流，这也是叶轮内能量主要耗散区.流道中的运动一般都是以相比流速较低的尾迹区以及接近无黏性的射流区构成[4].叶轮对流体所做功大小不相等，最后导致流体在接近工作面较强，接近背立面较弱.于逆向压力梯度的影响中，接近出口背面的边界层更轻易发生分离，于其周围引起回流与脱流等情况.图2可以看到于尾流区及射流区中间留有一段具备速率梯度的间隙.若梯度较大，则可构成剪切层，尾流区越宽，剪切层越薄，速度梯度也越大，给叶轮的使用效果带来的影响愈大，同时增大泵内部的流动损失.低比转速离心泵叶片数量较少，从而速率梯度更大，分层效果明显，严重干扰泵的性能参数[5].在设计中可通过增大出口宽度、取较多的叶片数等均可削弱离心泵的尾流-射流结构.2.2.2离心泵汽蚀现象汽蚀为泵类机械常见的流体运动状态，离心泵工作时，气泡在叶轮高压区持续破裂的同时造成剧烈冲击，常带给工作中的离心泵噪音与振动.离心泵若长期受汽蚀的影响，其叶片表面会遭受疲劳破坏甚至断裂，呈现出蜂巢状的外观，严重影响泵的水力性能，如图3所示.在该种类型泵，相邻两叶片中