轴流泵的叶片优化及内部流动特性研究

何德璋

（宣城市宣州区双桥联圩水利工程管理处，安徽 宣城 242000）

1 轴流泵性能实验探讨

1.1 几何模型

高比转速轴流泵的基本结构参数为：叶片直径300mm，叶轮叶片数3。最高效率模型泵的物理参数为：流量QBEP=410L/s，扬程H=3.2m，效率=80.4%，转速n=1450r/min。

1.2 网格划分

1.2.1 仿真模型的网格划分

由于六面体具有良好的质量和便于控制的特点，本文利用六面体网格对其进行了数值模拟。在此基础上，采用了具有较高自适应性的四面体网格，以适应在不同模式下的非预期的叶片形态。

1.2.2 计算方法与边界条件设置

由于六面体网格质量高，易于控制，因此本文采用六面体网格用于分析其内部流动状态。在优化过程中，使用自适应性高的四面体网格来适应模型变化过程中不可预见的叶片形状。本文选用ANSYS CFX对轴流泵进行了计算。边界条件的设置方面，流体介质设置为25℃，入口边界为总压入口，压力为1atm，出口边界为质量流。利用多重参照坐标系方法，将叶片流道区域设定为转动坐标系，入口段、导叶和出口段的计算区域作为静止座标系，网格节点间的匹配方式选择采用GGI，旋转区和静止区的耦合界面选择采用TFR，而非选择区间的耦合界面选择采用None。方根收敛残差（RMS）的准则是1×10-4，选择SST湍流模型。

1.2.3 网格无关性分析

采用5组不同数量的网格数目进行计算，网格总数分别约为N1=210万，N2=240万，N3=270万。对高比速轴流泵的网格进行无关性分析，以减小网格数目对计算结果的影响，并降低计算工作量。网格无关性的检验是在不同网格数条件下模型泵的扬程计算值进行的，如图1所示。扬程在初始阶段随网格数目的增大而增大。在网格数超过N1数值的情况下，扬程随网格数的增大而减小。在N2数值以上的区域，扬程变化小于1%，说明网格数对数值模拟的影响很小，所以针对本文的计算采用240万个网格。

图1 网格无关性检验

1.3 轴流泵性能实验

在φ500泵模型试验台上对模型泵展开性能测试，水当作介质，借助电磁流量计对其流量展开测试，流量控制的由电子阀门完成，采用总线多功能采集系统处理数据。在轴流泵的效率层面，最优工况的效率为1.0QBEP。对0.5QBEP～1.0QBEP验值对比，得知极大流量时，实验值比预测的相对而言低。借助对数据展开检验，得到该泵的工作性能曲线，为其内流场的剖析确立了条件。

2 BVF流动诊断及泵内部流场

借助各个工况下轴流泵叶片的BVF分布，得知在最优工况下BVF布局是均衡的。仅在接近压力面入口的边界处和吸力面的轮毂入口位置有个较小正峰值，表明这一范围做了负功，这是因进风口角度设计不当而致。本文选用极限流线图和三种工况下，对叶片在20%、60%和90%叶片高度上的负荷、叶片内流线布局展开探讨。

2.1 最优工况

如图2所示，在60%、90%的叶片的压力面，其入口压力梯度极大，可见小范围的正峰值。从轴流泵最优工况（1.0QBEP）情况下的内流场特点得知，整个轴流泵总体上是较为稳定的。即使有部分流动阻碍和BVF较小的正峰值范围，但对轴流泵的流体力学性能及内流场可靠性没有显著干扰。

图2 1.0QBEP不同叶高的叶片载荷

2.2 临界失速工况

图3表明了临界失速工况（0.66QBEP）叶片表面的流线图。图3（a）表明叶片压力面入口在轮毂附近有回流，图3（c）表明叶片吸力面在轮毂附近出现流动错乱，出现回流。图3（b）表明叶片吸力面中部具有显著旋涡，流态极其错乱，BVF正峰值也出现在流态错乱区。

图3 0.66QBEP叶片表面的极限流线图

图4（a）表明，鉴于入口液流角的变小，使叶片吸力面的一边出现倾斜，致使叶片入口的压力和吸力面均有不同程度的BVF正峰值。图4（b）表明，流线经由叶片后缘流动到附近的压面处，对其形成相应的干扰，这是因为叶片的出口角和吸力面造型的失误而致使的。图4（c）表明，在叶片吸力面前端一直到叶片中间的漩涡会使流道里面的流态下降，以致在叶片吸力面的中央形成BVF正峰值区域。

图4 0.66QBEP叶片不同截面上的流线图

2.3 深度失速工况

图5（a）表明，临近轮毂的叶片入口处的流动分离程度更深。图5（b）表明，在叶片中部具有显著的流动分离，20%的高度处，中间的气压变动较大。图5（c）表明，在流线的尾缘有显著的流动分离，叶高90%位置处吸力面压力分布变动显著。此外，鉴于叶片的吸力面型线和出口角的设计失误，致使在叶片出口处的气流出现错乱，流线经由出口后会偏向附近的叶片，以致对附近叶片的流态形成相应干扰。此问题会致使叶轮里面的能量消耗，使扬程减低，形成“马鞍区”。

图5 0.62QBEP叶片表面的极限流线图

3 轴流泵叶片的多参数优化

3.1 叶片的参数化造型

（1）轴流泵叶片截面的参数选择。由于设计的不同的空间，其横断面会根据一定的规则来构成一个整体，因此，叶片剖面的大小直接影响到叶片的外形，而产生截面的关键是确定截面的参数。本文选用圆弧法对轴流泵的二维剖面开展设计，详细参数如表1所示。

表1 各个截面的主要参数

（2）轴流泵叶片的约束与造型。使用Catia软件绘制轴流泵的二维截面图。利用知识表模块写入模型的几何参数，编制叶片工作面的控制参数，编辑二维截面最大厚度与位置厚度的关系。利用这种方法，使二维截面完全受限制，二位截面可以通过改变知识表中的参量自动修正。轴流泵型叶片建模，与上面所述的二维截面相似，需用5～8次模拟软件扫描成型。因为所有的截面都在一个平面上，所以只需要将一个平面水平移动到竖直方向。由此求出各截面的空间位置，得出一组曲线。另外，用Caita软件对曲线进行光顺修复，最大误差为0.01mm。之后，扫描不同部位的叶片截面，完成叶片的参数造型。

3.2 叶片进、出口角的优化

对不同工况下优化前后的轴向速度和速度环量对比分析，得出结论：在1.0QBEP和0.66QBEP工况下，叶片入口轴向速度和速度环量的变化趋势大致相同。当0.62QBEP时，优化前叶轮入口轴向流速为负，而优化后的入口轴向速度相对稳定，没有出现负值，反映进入口的回流状况有所变好。在0.62QBEP工况下，叶片入口转速环量随直径系数的增加而增加，就此可知，在叶片入口处，有较大的旋转流动，使叶片入口流态下降。优化后，速度环量显著提高。

3.3 叶片厚度的优化

选用多岛遗传算法优化模型，借助500步迭代计算后得出83.17%的最优效率，比优化前增强了2.77%。得出结论如下：优化方式可对轮缘处的厚度进行降低，轮毂处的叶片厚度进行增加，而在叶片中间位置界面的厚度则进行较小的变更。根据对最优工况下的内流场和叶片入口流态的解析，得知在低流量工况下，叶片入口角要超过低流量的需求，在叶片入口处会出现流动分离，使其偏向叶片的吸力面。鉴于在0.66QBEP和0.62QBEP的叶片轮缘处涡流变动更加显著，对附近叶片的做功性能造成相应的干扰。故此根据对叶片轮缘入口角和厚度的减少进行优化，合理地改进叶片入口的流动，并能有效控制低流量工况下叶片吸力面中央造成的漩涡。

4 结语

（1）对二维截面出、入口角进行了优化，得知在1.0QBEP工况下，叶片压力面入口位置的BVF分布有显著的改进，叶轮内的流动较为稳定，0.66QBEP时，叶片吸力面中央BVF的正峰和漩涡流动状态均有改进。（2）对二维截面的最大厚度进行了优化，得知在1.0QBEP工况下，叶片压力面入口位置的BVF分布明显好转，叶轮内的流动较为稳定。叶片高度在90%的时，叶片截面位置的漩涡流动有显著的改进。针对轴向速度，优化后的稍低于优化前；针对回流现象和速度环量，在0.62QBEP工况下均有改进。（3）对叶片出、入口角以及厚度进行了优化，使1.0QBEP工况下的流态得到改进。当所处低流量工况时，轮缘入口角和壁厚的降低有益于增强入口流态，合理地控制错乱流态现象的出现。