潛水混流泵水力設計與CFD分析的應用
為提高水泵的效率，提出了采用高效、泄漏損失小的閉式葉輪，配套設計空間導葉。本項目水力部件是2種葉輪和4種導葉體進(jìn)行組合，有8種水力設計方案。利用CFD分析工具進(jìn)行潛水混流泵水力性能預測，篩選確定了最優(yōu)水力設計方案生產(chǎn)樣機。
一、前言
潛水混流泵水力部件包括葉輪和導葉體。通常的水力設計方法是利用已有的干式混流泵開(kāi)式葉輪的水力模型進(jìn)行相似換算，得到實(shí)際泵葉輪水力圖并且重新設計導葉體。這樣的設計方法缺點(diǎn)在于：干式泵導葉出口是一個(gè)很細的軸，而潛水泵出口是潛水電動(dòng)機，干式泵水力模型并不符合潛水泵的流體規律。開(kāi)式葉輪葉片和輪轂是分開(kāi)鑄造加工，后期組裝，加工精度要求高。這樣生產(chǎn)的水泵測試水力效率低，高效區窄，流量達不到指標�，F有一工廠(chǎng)工藝取水提升泵，要求水泵高效節能，流量大，高效區寬。如使用現有的水力模型必然滿(mǎn)足不了要求，必須重新設計高效的潛水混流泵。該項目設計了多個(gè)水力設計方案，為減少開(kāi)模費用和周期，利用CFD分析工具進(jìn)行水力性能分析預測篩選，確定最優(yōu)化的水力設計方案。潛水混流泵樣機的設計參數如下：
流量：2000m3/h;設計點(diǎn)揚程：8.5m;轉速：735r/min;水泵效率：≥75%;配套電動(dòng)機功率：≤75kW。
二、潛水混流泵水力部件設計方案
1.潛水混流泵葉輪設計
在參考優(yōu)秀的混流泵水力模型的基礎上，確定設計高效的閉式固定葉片的混流泵葉輪。葉片輪轂整體鑄造，葉輪有前后蓋板。這樣避免了泄漏損失，易于生產(chǎn)加工。葉輪葉片數采用4片和5片兩個(gè)水力設計方案，葉輪葉片使用扭曲三角形設計方法。
2.潛水混流泵導葉設計
潛水混流泵導葉采用空間導葉，空間導葉和其他導葉類(lèi)似，尤其是和流道式導葉更相似�？臻g導葉起到整個(gè)壓水室的作用，將葉輪出口處的液體收集起來(lái)輸送到出水管路，同時(shí)將速度能變?yōu)閴毫δ��？臻g導葉繪型采用扭曲三角形法。
長(cháng)導葉葉片比較長(cháng)。短導葉葉片較短，導葉葉片距離導葉體出口預留水流擴散的距離。本項目導葉體一共4種設計方案：791翼型加厚長(cháng)導葉、圓弧翼型加厚長(cháng)導葉、791翼型加厚短導葉和圓弧翼型加厚短導葉。
3.設計方案
按照2種葉輪和4種導葉設計方案進(jìn)行組合得到8種水力設計方案，見(jiàn)表1。
表1 水力設計方案
8種水力設計方案如果每個(gè)都要開(kāi)模制作樣機，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本高�，F在利用CFD分析預測水泵的性能，大大節省了設計周期和費用。
4.利用CFD分析進(jìn)行水泵性能預測
潛水混流泵內部為復雜的三維湍流流動(dòng)。利用CFD分析工具對該泵水力部件進(jìn)行內部流場(chǎng)分析，對設計的潛水混流泵進(jìn)行水泵性能預測。求解器為ANSYSCFX12.1，定常求解，計算選用Standardk-湍流模型，收斂精度為1.0×10-4。8種水力設計方案最優(yōu)工況點(diǎn)CFD性能預測結果見(jiàn)表2。
表2 各方案CFD計算結果
根據8種水力設計方案達到設計流量點(diǎn)高效點(diǎn)預測結果分析如下：方案A～D(即4葉片的葉輪)比方案E～H(5葉片的葉輪)效率要高，5葉片的水力方案比4葉片揚程偏高。方案A在設計流量Q0=2000m3/h時(shí)，CFD預測的揚程為8.79m，預測最高效率為83.25%，預測值扣除擴散損失及容積損失及加工誤差可得實(shí)際綜合效率78%左右，要求設計揚程8.5m基本符合設計工況點(diǎn)在高效點(diǎn)，該方案CFD計算參數見(jiàn)表3。
表3 CFD預測得到方案A的水泵性能參數
三、結語(yǔ)
1)CFD分析應用在潛水混流泵水力設計中能夠降低設計周期成本，可通過(guò)模擬流態(tài)和數據分析篩選優(yōu)秀的水力模型。
2)潛水混流泵閉式葉輪相對于常用的開(kāi)式葉輪能減少了葉輪的泄漏損失，改善了水泵的流態(tài)，提高了潛水泵的水泵效率。
3)潛水混流泵葉片數越多，達到設計點(diǎn)流量、揚程越高，葉輪出口速度增大，水力損失增大，效率下降。
4)潛水混流泵的導葉選擇長(cháng)導葉和短導葉對水泵的效率影響不大，導葉葉片的長(cháng)短可根據水泵結構的需要來(lái)確定。
5)導葉葉片采用791翼型原理加厚，水力效率稍高，但和圓弧翼型加厚效果相差不大。
