混流泵葉輪設計關(guān)鍵參數分析

　　基于正反問(wèn)題迭代設計方法，通過(guò)給定不同的速度矩分布規律、葉片進(jìn)出口邊位置等關(guān)鍵參數，設計了一系列混流泵葉輪。在此基礎上，基于SIMPLEC 算法，通過(guò)求解Naiver-Stokes 方程和RNG k - ε 湍流模型方程，模擬了葉輪內的三維湍流流場(chǎng)，獲得了采用不同關(guān)鍵參數時(shí)葉輪內的速度與壓力分布。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)針對數值模擬結果，分析了關(guān)鍵參數對于葉輪設計的影響。結果表明：基于類(lèi)拋物型速度矩分布規律設計的葉片對于流體運動(dòng)方向的控制能力最強，具有最優(yōu)的水力性能；葉片進(jìn)、出口邊軸面距離適當增大有利于改善內部流動(dòng)，水力效率可獲得提升，但當距離過(guò)大時(shí)，會(huì )因表面摩擦損失增加導致效率下降。

　　混流泵是一種廣泛應用于污水處理、水利水電工程、電站循環(huán)水系統等方面的泵型。其介于離心泵與軸流泵之間，有效地吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并彌補了兩者的缺點(diǎn)。然而，目前混流泵設計過(guò)程中一些關(guān)鍵參數( 如：速度矩分布規律、葉片進(jìn)出口邊位置等) 的給定較多依賴(lài)于設計者的經(jīng)驗。本文基于正反問(wèn)題迭代設計方法，通過(guò)給定不同參數設計了一系列混流泵葉輪，并通過(guò)模擬不同參數下葉輪內的三維流流場(chǎng)，分析關(guān)鍵參數對葉輪設計的影響，為設計工作提供了有益的借鑒。

　　1、混流泵葉輪設計

　　傳統設計方法在計算軸面速度時(shí)，在一定假設下，采用軸面流線(xiàn)迭代法，求解軸面速度沿任意準正交線(xiàn)的梯度方程。然而，這種計算方法滿(mǎn)足過(guò)流通道內流體的連續方程。為使軸面流場(chǎng)同時(shí)滿(mǎn)足葉輪內流體運動(dòng)的連續方程與運動(dòng)方程，本文通過(guò)S1與S2流面迭代計算求解軸面流場(chǎng)，控制方程為：

　　式中：τ為葉片的排擠系數；W 為流體運動(dòng)的相對速度矢量；C 為流體運動(dòng)的絕對速度矢量，F 為單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力；Er為單位質(zhì)量流體相對運動(dòng)的機械能。

　　兩類(lèi)相對流面迭代計算收斂后，得到軸面速度分布，采用逐點(diǎn)積分法完成葉片骨線(xiàn)繪型，在保角變換平面內對葉片骨面進(jìn)行加厚，并對葉片頭部及尾部進(jìn)行修圓，完成新一輪葉輪的反問(wèn)題設計。正反問(wèn)題迭代設計方法具體步驟如下：①基于傳統的二元理論設計初始葉輪。②進(jìn)行正問(wèn)題計算，得到同時(shí)滿(mǎn)足流體連續方程與運動(dòng)方程的軸面流場(chǎng)。③基于正問(wèn)題計算所得的軸面速度分布完成反問(wèn)題設計，得到新的葉輪。重復步驟②、③，直到前后兩輪反問(wèn)題設計所得葉片的軸面截線(xiàn)最大位置偏差滿(mǎn)足要求。本文選取混流泵葉輪的設計參數為：流量0. 54m3 /s，揚程25m，轉速1450r /min。

　　結論

　　1) 基于類(lèi)拋物型速度矩分布規律設計的葉片對于流體運動(dòng)的控制能力強，有效地避免流動(dòng)分離現象的產(chǎn)生，改善了葉輪內部流動(dòng)，并提升了葉輪的水力性能。相比S 型和類(lèi)直線(xiàn)型速度矩分布規律，類(lèi)拋物型分布規律具有明顯的優(yōu)勢，應當是速度矩的一種最優(yōu)分布形式。

　　2) 葉片出口邊位置的選擇對于葉輪水力性能有重要的影響。在一定范圍內，隨著(zhù)葉片出口邊與進(jìn)口邊軸面距離增大，葉輪水力效率會(huì )得到提升，但增幅會(huì )逐漸減小。當進(jìn)出口邊距離增大到一定程度時(shí)，葉片包角過(guò)大，導致表面摩擦損失急劇增加，水力效率反而會(huì )下降。

　　3) 葉片進(jìn)口邊位置在一定范圍內適當前移，有利于改善葉輪內部壓力分布，可以提升葉輪水力效率。但進(jìn)口邊前移距離過(guò)大時(shí)，進(jìn)出口邊在輪轂所截軸面流線(xiàn)過(guò)長(cháng)，葉片軸面投影面積過(guò)大，反而會(huì )導致葉輪水力效率下降。