应用分流叶片改进离心泵性能的研究

01 . 概述

本文研究了在单级双吸泵中加入分流叶片后的水力性能、应力应变性能变化。分流叶片会影响流道中的流动情况，其形状会影响能量的损耗。分流叶片设计的目的是产生最大的水头同时还能保证较高的效率。本文主要通过CFD方法分析分流叶片的形状和位置对流动的影响，同时通过有限元方法分析了振动特性。结果表明，通过分流叶片提高泵性能是有效的。

02 . 泵几何模型及流动性能研究

图1 泵原始模型

本文所研究的是一个单级双吸泵，直径520mm，叶片数7，工况参数如上表格中所示。

设计过程主要包含四部分：

• 多参数优化方法；

• 应用CFturbo进行叶轮设计；
  

• 应用PumpLinx和CFX进行流场仿真计算；
  

• 应用ANSYS进行有限元分析。
  

叶片的设计主要包含5个参数，如下图所示：叶片在前、后盖板处的直径；叶片在前、后盖板的流入角；入口叶片厚度。

图2 分流叶片几何参数

这些参数的取值范围相差不超过80%，一共取了28组数据进行建模，然后应用PumpLinx进行数值仿真。通过仿真得到压力上升值与效率的关系，如图3所示。水头的范围从1%到11.5%变化，效率范围从2.3%到8.6%变化。改变叶片的设计参数值，可以得到不同参数下的效率值，将其绘成云图如图4所示。

图3 压升与效率关系

图4 效率与分流叶片设计参数的变化关系

根据以上关系选择了5种叶片进行下一步的计算和比较，这些叶轮可以提供相近的压头上升值，但效率下降的幅度却不一样，叶片形状亦不同，如图5所示。

• 叶轮1：基准叶轮
  

• 叶轮2：分流叶片提升压头11.3%，效率降低5.8%。
  

• 叶轮3：分流叶片提升压头9.8%，效率降低7.5%。
  

• 叶轮4：分流叶片提升压头8.9%，效率降低3%。
  

• 叶轮5：有5个主叶片和5个分流叶片。

通过仿真计算可以得到不同流量（0.6-1.1Q）工况，几种叶片形状的压升和效率值，如图7所示。通过基准叶轮的实验结果与仿真结果对比发现，两者结果吻合良好，可以验证数值计算模型是准确的。经计算得知不同叶片形状下压升和效率随流量变化曲线基本平行。

图5 5种叶轮设计

图6 5种叶轮设计CFD计算结果

03 . 空化特性研究

汽蚀余量NPSH定义为：

V0是入口速度，W1为入口相对速度，m,n为经验系数。

不同流量下5种叶轮设计的汽蚀余量曲线如图7所示。可以看到分流叶片设计并没有明显的改变几种叶轮的NPSH值。图8为速度云图，比较叶轮1和叶轮2，由于流道宽度足够，并未发现明显的速度变化。比较叶轮1和叶轮5，流道的阻塞效果有3%的差别，其对于速度的影响不大，但在0.7Q工况时流道速度变化比较明显。

图7 汽蚀余量曲线

图8 速度云图分布

上面的分析与下面的空化分布相符，如图9所示，空化首先出现在主叶片上。

图9 不同设计空化区域分布

压力脉动是典型的水力现象，可以反映内部的流动情况。图10是三种叶片设计下的压力波动曲线，可以看到相比于叶轮1，叶轮2和叶轮4的静压有着一定的上升，这可能与分流叶片把流道分成两个短流道有关，在叶轮2和叶轮4中两个流道有着更大的流入角，这会影响出口参数。

图10 压力脉动曲线

04 . 有限元分析

通过有限元方法计算流动过程中的振动，有限元分析可以得到几种叶轮设计在三个轴向方向的力。如图11所示，在额定流量下，可以看到随着叶轮转动三个方向的力的变化。同样还可以得到三个方向上的振动速度，如图12所示。

图11 轴向力变化

图12 轴向振动速度

对一个周期的力曲线进行傅里叶变换并进行力的频谱分析，对于叶轮1，可以发现三个方向上的力的频率在叶轮转速频率以及它的倍数上有波峰。而对于叶轮2，不仅在转速频率及其倍数存在波峰，在低倍频也存在波峰，如图13所示。

图13 轴向力FFT变换

图14显示的是在两种流量下实验获得的振动速度与仿真计算得到的振动速度。可以看到实验和仿真的结果吻合较好。有些许差别的原因可能因为实际支架安装时会受很多其他因素的影响，比如轴承等等。

图14 振动速度仿真与试验对比

图15为两种流量下叶轮1,2,4的三个方向上的振动速度。可以看到改变流量时，叶轮2和叶轮4振动速度的变化要小于基准叶轮振动速度的变化。所以在泵设计阶段考虑叶轮的结构是可以预防潜在的问题的。在相同压头的情况下选择4个主叶片，4个分流叶片来改善水力特性是和有效的。

图15 不同设计及流量的振动速度

05 . 小结

• 改变分流叶片形状可以增加泵的压升，同时维持泵的效率下降不超过3%。通过仿真计算可以深入理解叶片形状如何影响压升和效率。
  

• 分流叶片对于空化影响不明显。
  

• 增加分流叶片可以改变压力波动的幅值，不同的叶片形状对其影响不同。
  

• 通过有限元分析可以得到不同叶片的压力脉动频谱，增加分流叶片会产生次同步的压力脉动，同时也会增加速度波动。
  

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