叶片厚度对轴流泵性能的影响

TECHNOLOGY科技纵横2009.12CHINAEQUIPMENT叶片厚度对轴流泵性能的影响文／朱亮【摘要】采用RNGk-ε紊流模型计算了轴流泵装置内部的三维紊流流场。通过计算表明，装置在相同的流量下，随着轴流泵叶片厚度减薄，水泵的扬程和轴功率增加，最高效率点向大流量偏移，且最高效率有所提高；叶片压力面的压力增加，使叶轮扬程的增加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增加，使得叶轮空化性能有所改善，最后通过模型试验验证了计算的结果。【关键词】轴流泵紊流数值分析叶片厚度前言轴流泵是一种量大面广的水泵产品，在大型调水工程、灌溉工程及城镇给排水工程中应用广泛，也常被用作船舶和两栖车辆的推进器。我国泵站总装机容量为7000多万千瓦，其中轴流泵及导叶式混流泵占一半以上，南水北调东线工程中的大型泵站绝大部分采用轴流泵。因此，对其效率等性能指标进行深入研究不仅具有理论意义，更具有实际应用价值。轴流泵的结构参数对泵的能量和汽蚀性能的研究工作，经过多年的实践，积累了大量的经验，对轴流水轮的设计提供了宝贵的技术支持。如汤方平[1]研究了轴流泵转轮径向间隙增大后，对水泵性能的影响。朱红耕[2]采用全三维雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型，数值模拟了包括叶轮、导叶、泵壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响。鄢碧鹏[3]研究叶片数对轴流泵性能的影响。朱俊华[4]从理论上分析了轴流泵叶轮叶片外缘液流角对轴流泵性能的影响。但是，在叶片厚度对轴流泵的性能影响上缺乏必要地研究，所以有必要开展这方面的工作，来完善上述工作，进一步完善轴流泵的优化设计水平。本文的目的在于深入研究轴流泵叶片厚度和轴流泵性能的关系，研究水泵性能随轴流叶片厚度的变化而变化的趋势，以提高轴流泵的能量和汽蚀性能，从而节约电能和改善泵的可靠性。1.紊流数值分析1.1计算模型采用RNG两方程紊流模型求解不可压缩液体RANS方程。连续方程和动量方程为：式中p*--折算压力vj--速度分量ρ--流体密度μeff--流体有效粘性系数，μeff=μ+μtμ--流体的动力粘性系数紊动能k和紊动能耗散率ε由下列半经验方程（3）和方程（4）确定式中1.2网格划分本文采用商用CFD软件CFX对装置进行数值分析，用CFX的几何造型模块ICEMCFD对装置的进出水管进行了建模和网格剖分，用Turbo-grid几何造型模块分别对叶轮和导叶进行建模和网格划分。剖分叶轮网格时，考虑了叶顶间隙和进口导水锥。叶轮单边间隙为0.2mm，与实际模型泵中的间隙0.15~0.2mm相当。进出、水管和弯管之间，出水弯管与导叶之间采用None界面模型。叶轮和导叶之间，叶轮和进水弯管之间的滑动界面采用Stage界面模型。一种设计方案的网格调整好以后，网格的划分格式即以配置文件的方式保存。由于其它方案的叶片数不变，直接调用配置文件即可快速生成计算网格。1.3计算结果共计算了5组采用不同叶片厚度的轴流泵装置如表1所示，装置中除叶轮的叶片厚度不同外，其泵段模型（进水、出水、导叶）均完全相同。表1不同叶片厚度计算方案计算时固壁采用速度无滑移条件，进口指定总压和轴向进流，出口指定流量，每组方案从大流量到小流量计算了多个工况点。计算结果表明，叶片厚度变薄，引起扬程流量曲线和轴功率流量曲线的向上偏移。叶片厚度减小，相同流量下的扬程增加，轴功率也增加。图1为不同叶片厚度情况下的效率-流量曲线，从图中变化可以看出，叶片厚度减薄，对提高最高效率是有利的。叶片厚度变化还引起高效区分布的变化，叶片厚度减薄，高效区往大流量偏移，对提高大流量工况的效率非常明显。（注：图中的h17t7表示叶根最大厚度为17mm，叶尖最大厚度为7mm，其余意义相同。）通过计算还发现叶片变薄后，叶片压力面的压力增加，使叶轮的扬程增加，而叶片吸力面的压力变化较小，略有增加，使得空化性能有所改善。2.试验对比采用叶尖、叶根厚度分别为5mm、12mm的zm50叶轮，及叶尖、叶根厚度分别为7mm、17mm的zm50叶轮做泵段试验。泵段试验在江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台上进行，试验台效率测试的综合误差为。由试验得出随着叶片变薄，叶轮扬程、轴功率增加，叶轮高效点向大流量偏移，且有所增加，和数值模拟的结果相符。结论紊流计算和模型试验表明，在相同的流量下，随着轴流泵叶片厚度的变薄，轴流泵的155TECHNOLOGY科技纵横2009.12CHINAEQUIPMENT(上接第148页)所添加的每一个特征位置为零件的特征节点,形式上表现为模型特征树上的每一个特征，对应一个工序模型。利用工序模型与特征节点之间存在的对应关系,可在特征节点中确定一些加工过程中的工序模型,但并不是所有的模型特征树上的特征节点都能找到相应的工序模型，其原因是实际加工中的一个工序