高低叶片对旋流泵性能影响的研究

王秀礼 朱荣生 俞志君 苏保稳

1.江苏大学，镇江，212013 2.江苏振华泵业制造有限公司，泰州，225500

0 引言

旋流泵在其被开发出来后的较长一段时间内并未引起人们的广泛关注，随着工农业的迅猛发展，出现了大量需要输送固液两相流的场合，旋流泵因其在输送带有较大颗粒和较长纤维流体时所表现出的过流能力与运行稳定性而日益受到人们的重视。旋流泵的主要结构特征是叶轮退缩在压水室后面的泵腔内，这使其在输送含有固态颗粒的介质时，水流进入旋流泵叶轮之前在环形蜗壳中已将大部分颗粒从主流中分离出去，因而叶轮磨损小、使用寿命长。但由于存在循环流，存在很大的水力损失，因而旋流泵的效率较低，绝大多数泵效率低于60%，造成很大的能源浪费[1－2]。

近年来，国内外学者对旋流泵进行了大量研究。文献[3-5]通过数值计算的方法模拟了旋流泵内部流场，文献[6-8]通过试验研究了结构参数对旋流泵性能的影响。虽然上述研究工作得出了一些宝贵的结论，但由于旋流泵的内部流动十分复杂，对其工作原理及能量转换规律尚未完全研究清楚，且这些工作主要集中在对直叶片旋流泵进行研究。从国内外现有文献看，对具有弯曲叶片的旋流泵进行研究的文献还未见报道，因此，有必要对具有弯曲形叶片的旋流泵进行研究。

1 问题的提出

目前，常规的旋流泵叶轮呈放射形状，采用这种叶轮的旋流泵功率曲线随流量的增大而无限上升，因此，这种叶轮只能保证旋流泵在很窄的流量范围内运行，如果运行工况超出泵的可运行范围，可能导致电动机烧毁。旋流泵的运行工况千差万别，泵的扬程会出现较大的变化，导致旋流泵实际工况点在较大流量范围内移动。据统计，在返修的工程潜水泵中，其故障约有70%是由过载引起的。电机因过载失效造成这类泵的可靠性较低，大大限制了旋流泵的使用范围。这就要求我们设计的旋流泵具有平缓的功率曲线，能在大的流量范围内运行而不出现过载。

以往解决此问题的主要途径是加大功率备用系数，在旋流泵设计点的轴功率上乘以一个不小于1.4的系数作为选配电机的依据，这一系数显然大于离心泵的对应值1.1～1.2，造成投资增加和能源浪费。

为了改善这种情况，选用弯曲的叶片。但如果叶片数太多，污物不易通过，易造成堵塞；若叶片太少效率又不高。本文正是在叶片数比较少的情况下，研究高低叶片对旋流泵性能的影响。

2 计算模型

2.1 潜水旋流泵基本参数

本文通过研究WQX50－9－2.2型潜水旋流泵（图1）来探讨高低叶片对旋流泵性能的影响。该潜水旋流泵基本参数为：流量Q＝50m3／h，扬程H＝9m，转速n＝1470r／min，叶轮直径D2＝210mm，叶片宽度b＝40mm；环形蜗室内部宽度为80mm，进口直径d1＝80mm，工作介质为水。叶轮共6个叶片，有三种型式：①叶片等高（叶轮1）；②2个对称分布的叶片比其余4个叶片高10%（叶轮2）；③3个叶片均匀分布比其余3个叶片高10%。叶轮螺母位置为中心点，出口方向为X方向，进口方向为Y方向，Z为垂直于X和Y的方向。

图1 潜水旋流泵结构示意图

2.2 数值模拟设置

数值计算中采用了三维定常雷诺时均Navier－Stokes方程和RNGk－ε方程相结合的数学模型；泵进口采用速度进口条件；采用动静双参考系处理叶轮和蜗壳中的水流运动问题，叶轮流道区域采取旋转坐标系，转速为1470r／min，蜗壳流道区域采取静止坐标系[9]；采用SIMPLEC算法和二阶迎风格式离散差分方程进行计算。

2.3 计算区域与网格划分

采用Pro／E软件进行三维造型，用Gambit软件划分网格，由于模型复杂，将其划分为混合网格，计算模型共约100万个网格单元，计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格

2.4 基本假设与边界条件

假定进口速度轴向均匀分布且与进口面垂直；湍流强度设为5%，水力直径为80mm；出口边界设为自然出流；在固壁处采用无滑移边界条件，近壁面采用标准壁函数。

3 模拟计算结果与分析

采用Fluent软件计算完成后，运用Tecplot软件对结果进行必要的后处理，获得的计算结果如图3～图5所示。

图3 轴面流线图（Z＝0）

图4 轴面总压图（Z＝0）（Pa）

图5 总压分布图（Y＝0）（Pa）

由图3可以看出，叶轮流道中存在非常明显的回流和漩涡，原因在于，叶轮出口不是按照压水室的中心对称分布的[4]，它大约有50%的区域位于压水室的斜面区域，因此该区域的水流先接触到泵壳壁面而发生碰撞，从而产生回流，然后该回流又与剩余水体再次发生碰撞，从而使回流区域扩大。

由图3可发现，上下半平面内叶轮出口位置存在明显的漩涡。在上半平面：叶轮2的漩涡作用范围最小，叶轮1的漩涡作用范围最大，说明流动情况相当复杂；叶轮2在叶片附近基本上没有漩涡，但叶轮1和叶轮3在叶片附近有比较明显的漩涡。在下半平面：叶轮2叶片间出现漩涡，而叶轮1和叶轮3叶片间没有漩涡产生。旋流泵的水力损失主要是由于旋流泵内部流动存在大量的回流与漩涡，从而导致能量耗散，降低了旋流泵的效率。

由图4可以看出，对于不同的叶轮，旋流泵在同一半径处沿周向的压力分布不尽相同，在相应位置，叶轮2的压力最大，叶轮3的压力最小；叶轮2低压区范围最小，叶轮3低压区范围最大；由于距离出口较近，上半平面相应位置处的压力大于下半平面相应位置处的压力。

由图5可以看出，以叶轮中心点为圆心，向外扩散成一个圆，在半径较小的范围内压力近似一个常数，这主要是因为旋流泵有较宽的无叶腔，进出口存在压差，从而产生回流；由于流动类似于自由涡以及流体与蜗壳的耦合作用，在半径超过叶轮半径之外的区域和蜗壳喉部区域的静压分布不规则。在腔体的同一位置，叶轮2的总压最大，叶轮3的总压最小。在扩散段出口处，叶轮2的压力最大，叶轮3的压力最小，这表明，在相同流量下，叶轮2产生的扬程最大。

在数值计算的基础上，结合流场分析，对潜水旋流泵内部流动状况进行了深入研究，结果表明：叶轮2的水力性能最好，不仅流线分布好，同时在相同位置产生的总压也高。

4 试验研究

根据数值模拟结果，制作了3个与模拟所用一致的叶轮进行试验。潜水旋流泵性能试验是在具有B级精度的江苏国泉泵业制造有限公司水泵开式实验台上进行的，按照《潜水电泵实验方法》进行试验，试验现场如图6所示，试验从关死点开始一直测到额定流量的160%左右，相关测试数据由计算机自动采集。叶轮如图7所示。

图6 试验现场

试验结果见图8：随着叶片高度差的增大，轴功率曲线几乎平行下移，且高度差越大，曲线下降幅度也越大。但扬程与效率曲线存在一个最佳高度差值，当高度差超过最佳范围后，泵扬程和效率开始下降。

图7 叶轮2

图8 高低叶片对性能的影响

在设计流量点，叶轮2的扬程与效率最高，比叶轮1的扬程高0.15m，效率高近3%。叶轮3的扬程和轴功率都比叶轮1低，但其效率比叶轮1高。三种叶轮的轴功率曲线最后趋于平缓，基本达到无过载状态。

具有高低叶片的叶轮改善了压水室流动情况从而减小了水力损失，提高了涡流泵的扬程和效率。对于潜水旋流泵，叶片高度差为10%左右时，水力性能比较好。

通过以上分析可知，模拟结果与试验情况基本一致，不仅验证了前人流动模型的正确性，也为后续的研究工作创造了一定条件，同时，可将数值模拟结果用于指导生产实践，有益于节省成本与缩短研发周期。

5 结论

（1）高低叶片能够改善旋流泵压水室流动情况，从而提高旋流泵的扬程和效率。

（2）2个对称分布的叶片比其余4个叶片高10%的叶轮水力性能较好，而等高叶片的叶轮的水力性能较差。

（3）旋流泵采用弯曲叶片能够达到无过载的状态。

[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.

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[3]赵万勇，王振，荆野，等.旋流泵不同流道参数对性能影响的数值分析[J].西华大学学报，2009，28（4）：89-92.

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[6]杨敏官，高波，顾海飞，等.旋流式模型泵内部三维湍流场的测量[J].排灌机械，2008，26（1）：60-63.

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[8]沙毅，王劲松，杨敏官，等.旋流泵内部流动及吸入性能试验研究[J].水泵技术，2003（4）：9-12.

[9]Zhou Weidong，Zhao Zhimei，Lee T S，et al.Investigation of Flow through Centrifugal Pump Impellers Using Computational Fluid Dynamics[J].International Journal of Rotating Machinery，2003，9（1）：49-61.