新型射流式喷灌自吸泵的水力设计与数值模拟*

周英环，刘建瑞，王　增

(1.北京科技职业学院，北京 102206；2.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；3.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076)



新型射流式喷灌自吸泵的水力设计与数值模拟*

周英环1，刘建瑞2，王增3

(1.北京科技职业学院，北京 102206；2.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；3.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076)

通过分析自吸泵结构和自吸性能的不足，对自吸泵的压水室进行了改进，由正导叶式环形流道改进为正反导叶组合式流道，从而改变了流体的速度，流体顺着反导叶流到导叶中心，减少了流体对泵壳的冲击，并有效地减少或消除了泵腔的水流速度环量，使气水分离更加充分，达到了提高自吸性能的目的。采用加大流量设计法对新型节水农业用射流式喷灌自吸泵的叶轮和压水室进行了水力设计，并通过应用Pro/E和Fluent软件，对加设了反导叶结构的泵体进行了3D结构设计和数值模拟，验证了增设反导叶结构的意义。

自吸泵；自吸性能；正反导叶；水力设计；数值模拟

通过分析50PG-28自吸泵结构和自吸性能的不足，对自吸泵的泵腔进行了改进，由正导叶式环形流道改进为正反导叶组合的双导叶结构流道，从而改变了流体的速度，流体顺着反导叶流到导叶中心，减少了流体对泵壳的冲击，并有效减少或消除了泵腔的水流速度环量，使气水分离更加充分，达到了提高自吸性能的目的[1]。

本文对新型节水农业用微型射流式喷灌自吸泵进行了水力设计，并通过应用Pro/E和Fluent软件，对加设了反导叶结构的泵体进行3D结构设计和数值模拟，验证了增设反导叶结构的意义。

1　新型泵的水力设计

1.1喷灌泵的设计参数

设计流量qv=15m3/h，扬程H=28m，转速n=2 860r/min，自吸高度Hg=4.5～5m。

1.2叶轮的水力设计

1.2.1叶轮轴面投影尺寸

1)叶轮进口直径Dj。首先计算叶轮进口有效直径D0，该自吸泵叶轮进口没有轮毅(悬臂式叶轮)，即轮毅直径Dh=0，则进口直径为：

(1)

式中，n是泵的转速，单位为r/min；Q是泵的流量，单位为m3/s；K0是系数，根据统计资料选取。

2)叶轮出口直径D2。在设计一般离心泵时，叶轮出口直径即叶轮外径D2可以按下式来确定：

(2)

式中，u2是叶轮出口处的圆周速度，单位为m/s。

叶轮出口处的圆周速度是自吸泵设计时的一个关键参数。一方面，它对自吸时间和自吸高度有重要影响；另一方面，它对自吸泵的效率也有影响[2]。叶轮出口处的圆周速度由下式确定：

(3)

式中，Ku2是直径D2的圆周速度系数，由ns确定，比转速小时取大值，反之取小值；h是泵的扬程，单位为m。

由于泵的进口S型弯管等使得自吸泵增加了水力损失，同时出气口气液分离室的涡流也会造成影响，所以在计算叶轮外径时，自吸泵叶轮的计算扬程应比上述计算值大，这里引入直径放大系数K，于是自吸泵的叶轮外径D2′可由下式确定：

D2′=KD2

(4)

式中，K是叶轮外径放大系数，K=1.03～1.08。

3)叶轮出口宽度b2。b2可由下式确定：

(5)

式中，Kb2=(0.64～0.7)(ns/100)5/6。

Kb2、K应根据实际经验来取值，不能过大或者过小[3]。

1.2.2叶片数Z的确定

叶片数对泵的扬程、效率和气蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面要考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦，另一方面又要使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用[4]。通常采用的叶片数也可按比转速选取(见表1)。这里叶片数取Z=6。

最终得到叶轮的水力模型如图1所示。

图1　叶轮的水力模型图

2　射流式喷灌泵的三维造型

在应用Pro/E软件进行三维造型设计导叶时，先通过“插入-扫描”混合命令由点到线，由线到面，由面到体生成其中一个导叶，再通过“编辑-阵列”命令生成其他几个导叶[5]。叶轮的三维造型如图2所示。导叶的三维造型如图3所示。反导叶的三维造型如图4所示。

图2　叶轮造型　　　　图3　导叶造型

图4　反导叶造型

在装配射流式喷灌泵的过程中，首先应对该泵进行整体分析，要弄清哪些元件具有运动自由度，哪些元件完全约束。增设反导叶结构前，喷灌泵的水力造型如图5a所示，增设反导叶结构后，喷灌泵的水力造型如图5b所示。

图5　增设反导叶前、后喷灌泵的水力造型

3　射流式喷灌泵的数值模拟

3.1网格划分

为了保证计算结果的稳定性，叶轮进、出口及泵的出口均做了适当的延伸。由于进行整体计算，几何模型比较复杂，加上反导叶结构后更为复杂，所以应用网格划分软件GAMBIT，采用对复杂边界模型适用性较强的非结构化混合网格来进行划分[6]。将图5增设反导叶结构前、后喷灌泵流道的物理模型导入GAMBIT软件，选择Fluent5/6求解器，对叶轮、导叶和泵体、反导叶等流体区域分别划分网格。具体采用三维混合网格，并对叶轮部分进行局部加密。增设反导叶前喷灌泵流道的三维网格划分结果如图6a所示，网格间距为1.0，进口流道和叶轮划分后的网格数量为25 004，导叶和泵体划分后的网格数量为715 949，整个模拟对象的网格总数量为740 953；增设反导叶后喷灌泵流道的三维网格划分结果如图6b所示，网格间距为1.0，进口流道和叶轮划分后的网格数量为182 215，导叶和反导叶划分后的网格数量为403 385，泵体划分后的网格数量为344 079，整个模拟对象的网格总数量为930 179。

图6　增设反导叶前、后喷灌泵流道网格划分

3.2叶轮中截面绝对速度分布[7]

在Q/Qd=1.0工况下，增设反导叶前、后叶轮中截面绝对速度矢量图和分布图分别如图7和图8所示。

图7　绝对速度矢量图

图8　绝对速度分布图

由图7a可以看出，在叶片出口靠近背面处出现漩涡，产生回流，导致局部水头损失，影响水泵的性能。由图8a可以看出，各流道内部速度分布比较均匀，叶轮流道内绝对速度从进口到出口呈逐渐增大，速度最大值出现在叶片出口附近。由图7b可以看出，叶片工作面的速度大于相对应位置背面的速度，从叶片工作面到背面速度变化比增设反导叶结构前要平和很多，漩涡和回流区消失，这说明增设反导叶结构对提高喷灌泵的性能很有意义。由图8b可以看出，各流道内部速度分布比较均匀，从叶轮的进口至出口绝对速度逐渐增大，速度最大值仍是出现在叶片的出口附近，但速度变化变得平缓，这说明增设反导叶结构可以减少流体对泵壳的冲击损失，能有效地消除泵腔的速度环量，从而使气水分离速度加快，提高了喷灌泵的自吸性能。

4　结语

通过数值模拟证明新型射流式喷灌自吸泵的设计是可行的，下一步将对新型射流式喷灌泵进行试验，并将试验结果与数值模拟进行比较[8]。这将为轻小型射流式喷灌自吸泵的进一步研究提供理论依据。

[1] 周英环，袁寿其，刘建瑞，等. 新型射流式喷灌自吸泵的水力设计与对比试验研究[J].中国农村水利水电，2009(4)：62-64.

[2] 叶忠明，刘建瑞. 射流式自吸喷灌泵结构及设计方法初探[J].中国农村水利水电，2005(11)：104-105.

[3] 刘建瑞，周贵平，施卫东. 轻小型射流式自吸喷灌泵设计与研究[J].水泵技术，2006(3)：3-4.

[4] 周英环，刘建瑞，袁寿其，等. 50PG-28型射流式自吸喷灌泵的改进与试验[J].排灌机械，2008，26(3)：6-9.

[5] 徐竹.智能CAD技术在机械制造中的应用[J].新技术新工艺，2015(7)：69-70.

[6] 马志燕.数值模拟技术及其在冲压加工中的应用[J].新技术新工艺，2014(8)：12-14.

[7] 周英环，袁寿其，刘建瑞. 新型射流式喷灌泵的数值模拟与实验研究[D]. 镇江：江苏大学，2009.

[8] 刘建瑞，李文科，施卫东. 射流式自吸离心泵的试验研究[J].中国农村水利水电，2007(4)：66-69.

* 北京市教委青年英才计划项目(19183)

责任编辑郑练

TheHydraulicDesignandNumericalSimulationoftheNewSelf-SuctionSprinklerIrrigationJetPump

ZHOUYinghuan1,LIUJianrui2,WANGZeng3

(1.BeijingProfessionUniversityofScienceandTechnology,Beijing102206,China; 2.TechnicalandResearchCenterofFluidMachineryEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China; 3.BeijingManeuveringApparatusResearchInstituteofAccurateElectromechanic,Beijing100076,China)

Throughdiscussingthedisadvantageofself-suctioncapabilityandstructureofself-suctionsprinklerirrigationpump,introducethenewstructurenameddouble-guidebladewhichiscombinedwiththepositiveandnegativeguideblades.Itchangesthevelocityofthefluidwhichgoesintothecenterofguidevanealongtheanti-guidevane.Thus,theimpactofthefluidinthepumpisreduced,andthewaterflowvelocitycirculationofpumpcavityarereducedoreliminatedeffectively.Theself-suctioncapabilityofthepumpcanbeimprovedandtheself-suctiontimeisshortened.Thehydraulicdesignoftheimpellerandvolutearedonebydesigningmethodsofoversize-flow.The3Dphysicaldesignandnumericalsimulationforthedouble-guidebladepumparedonebythesoftwareofPro-eandFluent.Asaresult,thesignificanceisverifiedbythispaper.

self-suctionpump,self-suctioncapacity,positiveandnegativeguide-blades,hydraulicdesign,numericalsimulation

2016-03-09

TH311A

周英环(1983-)，女，专职教师，中级经济师，主要从事喷灌自吸泵的设计等方面的研究。