叶轮几何参数对离心泵性能的影响（中）

叶轮几何参数对离心泵性能的影响（中）

摘要

本文对离心泵稳态设计时叶片高度、叶片数、出口叶片角度、叶片宽度和叶轮直径等相关设计参数对稳态流动的影响进行了数值研究。本研究考虑了三种情况：叶轮、叶轮与涡壳组合、叶轮与导叶组合。借助ANSYS-CFX软件使用了具有k-ε湍流模型和标准壁面函数的连续性及Navier-Stokes方程。结果表明：所选择的关键设计参数对离心泵的性能-扬程、功率和效率都有影响。为验证所提出方法的有效性，将数值模拟结果与考虑叶轮和导叶组合的试验结果进行了比较。

本文为加拿大魁北克大学应用科学系的Massinissa Djerroud, Guyh Dituba Ngoma, and Walid Ghie三位作者所写，对离心泵过流零部件的设计具有一定的指导意义。由于篇幅较长，分为上、中、下三部分，本篇为（中）。

结果分析

使用水作为所有模拟运行的工作液体，并且在本研究中使用的水被认为具有以下参考值：水温25℃，密度ρ= 997 kg/m³，动态粘度μ= 8.899×10^-4 Pa·s。对于参考叶轮、涡壳和导叶的主要数据见表1、2和3。

壳体研究

对泵的主要性能有影响的离心泵的六个关键设计参数是：不带涡壳的叶轮叶片的高度、不带涡壳的叶轮叶片宽度、不带涡壳的叶轮叶片角度、带涡壳的叶轮叶片数量、带涡壳的叶轮直径和带叶轮的导叶叶片数量。对于数值模拟结果的最高精度，在每一个案例研究中，通过改变网格元素的数量，进行独立网格解算试验。表4显示了获取独立网格结果所需的网格元素数量。

叶轮出口叶片高度的影响

为了分析出口叶片高度对泵扬程、功率和效率的影响，选择三种出口叶片高度12 mm、18 mm和24 mm，同时保持其它参数不变。图11显示了泵的扬程作为体积流量与出口叶片高度作为参数的函数。可以清楚地看到，由于压力的下降，泵扬程随着体积流量的增加而减小。此外，泵的扬程随着出口叶片高度的增加而增加。这可以解释为，当体积流量保持恒定时，增加出口叶片高度会导致经线速度（meridional velocity）下降，这是因为出口切向速度和出口叶片角保持不变。换言之，叶轮内液体的压力随出口叶片高度的增加而减小。

图12显示了泵轴功率与体积流量的函数关系曲线，说明功率随体积流量的增加而增加。这可以通过相对于体积流量的液体压力的额外降低来解释。另外，由于泵轴扭矩随叶片高度而增加，轴功率也随叶片高度而增加。

图13显示了泵效率作为体积流量函数的曲线，对于𝑏₂ = 12 mm，总效率在最佳效率点（BFP）的右侧迅速下降。当体积流量达到0.08 m³/s时，𝑏₂ = 18 mm的整体效率最高。

图14、15 和16显示了Q = 0.065 m³/h时的静态压力、液体流动速度矢量和流线型液体流速对应的轮廓。从这些图中可以看出，叶轮出口处的静压力高于叶轮入口处的静压力，这是由于叶轮出口处液体流速的下降。因此，这些图清楚地显示了液体流速和静压力变化之间的关联性。另外，图14-16显示了叶片高度变化对静压力、液体流速和流线型液体速度的影响，其中，𝑏₂ = 12 mm、18 mm和24 mm时，叶轮出口处的平均液体流速分别为15.92 m/s、12.64 m/s和10.56 m/s。

叶轮叶片宽度的影响

为了研究叶轮叶片宽度对泵扬程、功率和效率的影响，选择了4 mm、10 mm和15 mm的 叶片宽度，而其它参数保持不变。图17显示了泵扬程作为体积流量的函数，说明泵扬程随叶片宽度的增加而减小。这是由于随着叶片宽度的增加，液体压力下降。此外，当叶片宽度增加时，所需的泵制动马力降低，如图18所示。相应的总效率曲线如图19所示，叶片宽度对总效率的影响在高体积流量下更显著。换句话说，对于三种叶片宽度，总效率在最佳效率点（BFP）的右侧迅速下降，并且，当e=15 mm时，总效率最低。

叶轮出口叶片角度的影响

选取出口叶片角度值分别为9°、28°和60°的三种叶轮，以研究其对泵扬程、功率和效率的影响。针对不同出口叶片角度，图20描述了体积流量与泵扬程之间的函数关系。从图中可以看出，扬程随出口叶片角的增大而增大，这可以通过相对于增加的出口叶片角度增加的出口横截面尺寸、从而导致叶片之间流道中的液体压降的减小来解释。

针对不同出口叶片角度，图21描述了体积流量与泵轴功率之间的函数关系。泵的轴功率随着出口叶片角的增加而增加，这是由于出口叶片角的增加，所要求的轴转矩随之增加。

此外，图22所示的效率曲线表明，𝛽₂=9°时，在最高效率点右侧泵的效率迅速下降。

此外，图23和图24分别显示了Q=0.065 m³/s时的静态压力分布及液体流动速度矢量。从这些图中可以看出，随着叶片角度的增加（如图26所示，叶轮出口处的液体流速的降低），叶轮出口和进口之间的压差随之增大。𝛽₂=9°、𝛽₂=28°和𝛽₂=60°时，叶轮出口处平均液体流速分别为21.06 m/s、15.92 m/s、10.09 m/s。

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