低比轉數離心泵進口預旋的數值計算研究論文

低比轉數離心泵一般是指比轉數n = 30-80的離心泵，廣泛應用於農業排灌、城市供水、鍋爐給水、礦山、石油和化工等領域.與中高比轉數離心泵相比，低比轉數離心泵有其特殊性，即軸功率曲線隨流量增大而迅速上升，通常沒有極值出現，導致泵在大流量區運行極易產生過載現象.因此，研究一種具有無過載性能的低比轉數離心泵設計方法具有十分重要的意義.

傳統的無過載理論都是假設葉輪進口無旋，通過適當減小葉輪出口寬度、葉片出口安放角及葉片數來實現無過載性能，最終取得了很好的效果.但有時受到加工條件、運行條件及效率等因素的限制，僅僅在葉輪上實現無過載性能比較困難.前置導葉預旋調節技術在風機和壓縮機中得到了較為普遍的應用，國內外己對其開展了深入的研究，並逐漸應用到水泵中，且己證實該技術是一種較好的工況調節方法.

對於多級離心泵，可通過級間導葉產生預旋，對於單級離心泵，可通過前置導葉產生預旋.為研究預旋對離心泵性能的影響，選擇計算區域較少的單級離心泵QDX6-20-0. 75為研究對象.設計3組方案，以商用軟件Fluent 6. 2為平台，通過數值模擬對其內流場和外特性進行分析.

1方案設計

QDX6-20-0. 75的設計參數為流量Q =6 m /h揚程H=20 m，配套電動機功率P=0.75 kW，轉速n =2 850 r/min，比轉數n = 45 .

葉輪和蝸殼的設計均採用速度係數法，並結合優秀水力模型對該泵進行結構設計，蝸殼採用較小的基圓直徑，葉輪和泵體主要幾何參數為葉輪進口直徑D -48 mm，葉輪輪毅直徑D = 18 mm，葉輪出口直徑D -135 mm，葉輪出口寬度Z = 8 mm，泵體出口直徑D= 34 mm，泵體基圓直徑D3 = 136 mm泵體寬度b3 -20 mm.為減小軸向長度，前置導葉採用徑向導葉形式，由環形四周進水.為更好地引導水流產生預旋，前置導葉按照等角對數螺旋線進行設計.

為了使多級泵產生不同的預旋，改變前置導葉的出口安放角。出口寬度文中設計了3組方案，其中方案1中900，相當於進口無旋，其餘方案均增加不同程度的正預旋.

2數值模擬

2. 1模型建立

QDX6 -20 -0. 75型潛水泵主體結構主要由電動機、前置導葉、葉輪、蝸殼組成，整泵結構如圖la所示.其中，前置導葉、葉輪和蝸殼為過流部件.數值模擬需要對流場空間進行求解，為了獲得流體區域，首先在繪圖軟件Pro / E中對各方案前置導葉和葉輪零件進行三維造型.然後通過軸面投影圖畫出包含水體的旋轉體，再導入實體零件模型對其作布爾運算，即得到流道水體模型.蝸殼的零件造型比水體更為複雜，而計算所需的僅是水體.

2. 2網格劃分

文中的網格生成是利用專用前處理軟件包Gambit完成的，對全流場採用適應性較強的非結構網格進行離散，各方案中蝸殼和出口段的幾何模型是相同的，故採用相同的網格進行計算，經過網格無關性分析，總網格數保持在1.0 x1護以上，其計算性能基本保持穩定.

2. 3求解控制參數及邊界條件

應用Fluent軟件進行模擬計算時，採用標準k二湍流模型封閉控制方程組，利用SIMPLE算法，速度項、湍動能項和渦豁係數項採用一階迎風差分格式，欠鬆弛因子取默認值，收斂精度均設置為10-5.進口邊界條件採用速度進口，出口採用自由出流，固壁滿足無滑移條件，即相對速度=0，壓力取為第二類邊界條件.

3多方案性能分析

3. 1靜壓分佈

流量口分別為2-6-10 m3/h工況時，不同方案的靜壓雲圖.

各圖中的靜壓分佈具有相同的特徵，由葉輪進口到出口，靜壓逐漸上升，最小值出現在葉輪進口邊背面處，同一半徑上工作面的壓力大於背面的壓力.蝸殼中，靜壓隨着半徑增大而增大，在外壁處達到最大，沿液流方向，靜壓也會增大，在擴散段中，壓力達到最大，這是由於蝸殼中液體速度減小，動能轉換為壓力能.另外，在小流量工況，各方案的靜壓大小及分佈幾乎相同，隨着流量的增大，各方案的靜壓都相應減小，方案1靜壓減小幅度較方案2和方案3緩慢，方案3減小最快.通過相同方案不同流量對比，發現預旋的影響隨着流量增大逐漸增大，即在小流量工況，正預旋對靜壓的降低作用很小，隨着流量增大，正預旋對靜壓降低作用越來越大.通過相同流量下不同方案對比，發現進口無旋的方案1靜壓始終為最高，方案3靜壓始終為最低，説明預旋可以降低泵內部的壓力，且預旋越強，壓力降低幅度越大.

3. 2相對速度分析

預旋對葉輪內液體流動的影響主要表現在葉輪進口，因此，將葉輪進口邊的流態局部放大.

從圖3中可以看出，葉片背面的相對速度均大於工作面的相對速度，這是由於葉輪內部的相對運動是由均勻流與軸向旋渦運動疊加作用的結果.從葉片背面至工作面，速度變化梯度由小到大分別為方案1，方案2和方案3.由方案1可以明顯看到，部分液體從葉片背面流向葉片工作面，方案2,3中這種流動現象不太明顯.這是由於葉輪按正衝角設計，在額定工況下液流角小於葉片安放角，在葉片進口邊背面區域的流體，由於沒有受到葉片的約束作用，它會向下一個葉片的工作面流動，在受到工作面的阻擋後，就沿着葉片工作面流動，這樣工作面的`速度就會增大.由此可知液流角越小，這種現象越明顯.

3. 3圓周分速度分析

葉輪內部某流體質點的速度三角形，圖中u為葉輪旋轉所產生的牽連速度，其方向沿着該點繞軸線所形成的圓在該點的切線方向;為質點的相對速度;:為質點的絕對速度，其方向沿流線上該點的切線方向.絕對速度:與牽連速度u的夾角為絕對液流角a，此處規定當絕對速度徑向分量V.向外流動時為正，向內流動時為負;相對速度、與u方向的夾角月為相對液流角.葉輪進口前的絕對液流角a是由來流條件決定的，預旋的大小可通過絕對液流角來表徵，從速度三角形可以看出，在同一流量下絕對液流角的改變會引起圓周分速度v、相對速度、及相對液流角月的改變，預旋越強，a越小;若a<0，則説明出現了迴流.可以通過觀察絕對液流角來研究葉輪前的流動狀態.另外，由圖4中葉輪進口速度三角形可以看出，正預旋會增大液流角，由於方案2,3比方案1有更大的液流角，所以從葉片背面流向工作面的液體會減少，葉片背面到工作面的速度梯度會增大.

4結論

1)預旋可以降低泵內部的靜壓，流量越大，降幅越大;預旋越強，下降越明顯.

2)葉輪葉片進口邊前過流斷面上的流動為複雜的三元流動，由於受到葉輪葉片的影響，沿圓周方向呈現一定週期性，且存在着迴流域.

3)預旋越強，導葉出口圓周分速度也越大，不考慮邊壁影響，圓周速度沿徑向由內到外呈增大趨勢，沿流動方向，圓周速度略有減小，與速度矩保持定理有一定的偏差.

4)從外特性看，通過增加預旋獲得了陡降的H-Q曲線及平坦的P-Q曲線，並且效率在小流量到額定流量附近還略有提高，因此，通過預旋實現全揚程無過載是可行的.