叶片安放角对离心泵外特性的影响
摘要： 以常温清水为工作介质，在叶轮基本尺寸设计转速相同的情况下，采用FLUENT6.1软件通过数值计算方法，研究了叶片安放角按先缓后急、均匀和先急后缓等4种规律变化对离心泵外特性的影响，提出了叶片安放角加速度的概念。结论表明：随着叶片安放角由先缓后急向先急后缓的趋势变化，扬程降低；小流量时，效率逐渐增大，大流量时，效率逐渐下降。设计工况下，叶轮A的效率比叶轮C的效率约低2%。
Abstract： In the condition of taking normal temperature water as working medium and the basic dimensions and design speed of the gear are same， FLUENT6.1 software and numerical calculation method are used to study the influence of centrifugal pump external characteristics by leaf blade settling angle in accordance with four kinds of rule changes of slow first， uniform and hurry first and another method to put forward the accelerating concept of leaf blade settling angle. Results indicate that： With the trend changes of leaf blade settling angle form slow first to hurry first， the head of delivery is increase； efficiency gradually increases by small flow rate， efficiency gradually declines by heavy flow rat. In the design conditions， the efficiency of impeller A is about 2% lower than that of impeller C.
关键词： 离心泵；安放角；型线；数值模拟
Key words： centrifugal pump；settling angle；lines；numerical simulation
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）28-0098-02
0 引言
叶片型线是决定叶片实际形状重要的几何要素。离心泵叶轮的水力设计过程中，关键的一步就是在平面方格网上绘制流线的展开图。一般可以通过三种方式改变叶片型线[1]：①固定叶片进口角，改变出口角和包角；②固定叶片出口角和包角，改变进口角；③固定叶片进口角和出口角，改变包角。文献[2-5]以离心泵或离心油泵为例，用上述三种方法验证了叶片型线对离心泵性能存在一定影响。此外，还有采用贝塞尔曲线[6]、样条曲线[7]、曲线和直线段组合[8]和圆弧[9]等方法设计叶片型线，但这些方法也仅限于叶片型线绘制方法的研究，而未考虑各轴面叶片安放角对离心泵性能的影响。为此，本文以叶轮一元设计理论为基础，研究了各轴面叶片安放角的变化规律对离心泵性能的影响。
1 研究方案
本文以某单位设计的比转数ns=132的单级单吸离心泵M-132-200为例，其性能参数和基本尺寸见表1。
在此为基础上，保证进、出口安放角及包角不变，新设计了4种不同的型线，其安放角的变化规律如图2所示。（其中b图叶片安放角变化规律介于图a和图c之间）为方便研究，按照图a变化规律设计得到的叶轮以“A”表示，同理，对应图b、图c和图d变化规律得到的叶轮以此类推，如图3所示。
2 数值模拟及方法
用PRO/E对研究对象进行实体建模，GAMBIT划分适应性强的非结构化网格，导入FLUENT6.1软件对4台泵的内部流场进行数值模拟。采用的控制方程包括连续方程，Reynolds时均Navier—Stokes方程（RANS）。湍流模型使用标准k-ε模型。采用SIMPLEC算法，实现压力场和速度场的耦合求解。边界条件的设置见文献[4]。进口条件采用速度进口条件，假定进口速度均匀分布，具体数值由流量与进口面积比值给定。对4台泵用数值模拟对其外特性预测。
3 结果分析
叶片安放角由先缓后急向先急后缓的趋势变化，在小流量时，效率逐渐增大。大流量时，效率逐渐降低，且泵C效率的变化梯度较大。设计工况下，离心泵A的效率比离心泵C的效率约低2%，如图4所示。这是由于从进口到出口，离心泵叶片间的流道是扩散型的，在叶轮的出口处，若安放角变化较急，则增加了流道的面积变化率，引起扩散角的增大，从而导致了水力损失的增加，而在叶轮进口处这种现象的影响相对较小。
4 结论
随着叶片安放角由先缓后急向先急后缓的趋势变化：①小流量的情况下，效率逐渐增大。大流量的情况下，效率逐渐降低。设计工况下叶轮A的效率比叶轮C的效率低约2%。②随着流量的增大，其扬程的差值越来越大，在设计工况情况下，离心泵A的扬程比离心泵C的扬程高约1.8m。③叶片安放角加速度有待于进一步定量化。
参考文献：
[1]张勇.用数值模拟研究叶片数变化对离心挖泥泵性能的影响[J].水泵技术，2011-02-28.
[2]谈明高，刘厚林，吴贤芳，王勇，王凯，付猛.粗糙度对离心泵性能数值预测的影响[J].中国农村水利水电，2011-02-15.
[3]王晓晖.水力透平转轮基本尺寸的确定及其内部流动、力特性研究[D].兰州理工大学硕士论文，2011-04-21.
[4]毕智高，逄仁刚，赵维元，等.叶片型线对离心黏油泵性能的影响[J].兰州理工大学学报，2014，40（4）：62-66.
[5]杨敏官，顾海飞，刘栋，贾卫东，高波.离心泵叶轮内部湍流流动的数值计算及试验[J].机械工程学报，2006（12）.
[6]何希杰.低比转速离心泵主要参数对性能综合影响和排序[J].通用机械，2004（01）.
[7]杨孙圣，孔繁余，周水清，王文廷.离心泵气蚀性能的数值计算与分析[J].华中科技大学学报（自然科学版），2010（10）.
[8]黎义斌，邬国秀.低比转数冲压焊接离心泵三维湍流数值模拟[J].农业机械学报，2008（07）.
[9]祝磊，袁寿其，袁建平，裴吉.阶梯隔舌对离心泵压力脉动和径向力影响的数值模拟[J].农业机械学报，2010（S1）.