出口环量分布对混流泵性能的影响

　　为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度，开展了出口环量分布规律对混流泵性能的影响研究。基于三元反设计理论，将环量Vur 在轴面流线方向上的偏导数作为载荷分布的控制参数，根据出口环量分布规律的不同设计了平均型、递增型和递减型3 个混流泵叶轮。基于雷诺时均Navier-Stokes 方程、SST 湍流模型和多重参考坐标系模型对泵内流场进行数值模拟，对泵的效率、空化、叶轮出口的总压及轴面速度沿叶高的分布规律进行比较与分析。结果表明：递增型泵效率最高但空化最差，递减型泵性能正好相反;基于变出口环量分布的三元反设计方法能有效控制叶片不同叶高处的做功能力，递增型叶轮出口的总压和轴面速度随半径增加而增加的速度最快。

　　混流泵越来越广泛的被应用于工、农业生产中，但混流泵的开发与离心泵和轴流泵相比，还有较大差距。环量Vur 作为叶片载荷的控制参数，其分布规律对混流泵性能有重要影响。近些年来有较多的研究是在叶轮设计完成后再通过叶片形状参数的调整来实现性能优化，但在设计过程中就通过载荷参数的合理分配以得到性能优良的混流泵的研究却鲜见报道。现阶段，设计者对环量Vur 的分布规律缺少经验，往往需要大量的试验修正才能得到达到设计要求。

　　为了提高设计过程中对混流泵性能的可控制程度，很有必要开展出口环量Vur 的分布规律对混流泵性能影响的研究。文中以比转数ns=449的混流泵叶轮设计为例，在给定轴面流道形状和叶片导边、随边位置的前提下，采用不同的出口环量Vur 分布规律设计出了3 型叶轮。通过对其内部流场的数值模拟，比较和分析出口环量Vur分布规律对泵的效率、空化、出口总压和出口轴面速度分布特性的影响。

1、叶轮出口环量分布表示形式

　　叶片三元反设计的基本思想是：在叶轮内流动稳定、无粘性且不可压缩的假定前提下，把其内部的三维流动分解为周向平均流动和周向脉动流动，用置于叶片中心面上的涡代替叶片对流场的作用，叶片形状以满足流动边界条件而迭代确定。

　　本文设计的混流泵参数为： 流量Q=0.57m3/s，扬程H=34.7m，转速n=2330r/min，比转数ns=449。在叶片设计过程中需要指定以下条件：

　　(1)叶轮的轴面轮廓，包括轮毂、轮缘和叶片的进、出口边。文中叶轮的轴面轮廓如图1所示， 进口直径D1=266mm ， 出口直径D2=334mm。

图1 叶轮轴面轮廓

1.出口边 2.轮缘 3.进口边 4.轮毂

　　(2)从轮毂到轮缘的各条轴面流线上对应点扭角的分布规律。文中设定各轴面流线上出口点的扭角都为0°，即叶片随边与轮毂、轮缘曲面垂直。

　　(3)叶厚分布。按照有较好抗汽蚀性能的NACA16 翼型厚度变化规律进行叶片加厚。

　　(4)叶片的载荷沿轴面流线的分布。叶片的载荷(即叶片压力面与吸力面的压力差)与Vur在轴面流线方向上的偏导数密切相关，它们满足关系式

　　式中：Vm—轴面平均速度;Vu—周向平均速度;p+、p-—叶片压力面、吸力面的静压;B—叶片数;m—轴面流线相对位置，m=0 表示导边，m=1表示随边。因此给定载荷分布规律即是给定( ) / u V r m沿轴面流线的分布规律。通常将Vur除以ωr2s2 作无量纲化处理，其中r2s 为叶片随边轮缘处的半径。叶片载荷沿轴面流线的分布理论上要满足以下原则：

　　文中采用对称轴相同的两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律，各条流线上叶片最大载荷都位于m=0.2 处，由此积分可得到相应的环量沿轴面流线的分布，如图2 所示。

图2 载荷沿轴面流线的分布

结论

　　(1)采用出口环量分布规律作为混流泵设计的控制参数是合理的，它能改变叶片上不同叶高处的做功能力，这样可有效提高设计过程中对泵性能的可控制程度。

　　(2)出口环量分布形式对所设计混流泵的效率和空化性能有重要影响，递增型泵效率最高但不利于保证空化性能。工程中，往往需要根据叶轮的应用场合而对泵的效率和空化性能做出合理取舍，才能正确的分配叶轮出口的环量。

　　(3)CFD 技术可对新设计泵的性能进行快速预测与评价，并为改变设计过程中的环量分布等参数以实现泵性能的优化提供合理建议。