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2020-05-08 03:47

  不同叶片包角的离心泵试验与数值模拟_交通运输_工程科技_专业资料。第43卷第10期 2007年l 0月 机 械 工 程 学 报 V0l:43 Oct. No.10 20 07 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINE

  第43卷第10期 2007年l 0月 机 械 工 程 学 报 V0l:43 Oct. No.10 20 07 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 不同叶片包角的离心泵试验与数值模拟木 杨华1刘超1 汤方平1谷传纲2 (1.扬州大学能源与动力工程学院扬州225009;“ 2.上海交通大学机械与动力工程学院上海200030) 摘要:在离心泵叶轮的基本外尺寸(叶轮内外半径、叶轮进出口宽度、叶片进出口安放角及叶片数)和设计转速相同 的情况下,采用三次曲线对叶片进行造型。设计叶片包角分别为59。、75。和910的三副离心叶轮c1、c2、c3, 其中叶轮C1与传统的单圆弧叶型非常接近。三副叶轮的同台试验结果显示,时轮C2的最高效率比叶轮Cl、C3 的效率高1.28%、1.43%。采用数值模拟得到设计工况下三副叶轮内的相对速度场和各流道内的载荷分布,C1叶轮 内有明显的回流区,且各流道内的载荷存在较大差异。研究表明:在叶轮外尺寸相同的情况下对叶片造型设计时, 存在最佳的叶片包角,单圆弧叶型不是最佳叶型。 关键词:离心泵数值模拟试验测量 中图分类号:TH311 下,采用三次曲线对离心泵叶片进行造型,,设计了 O前言 离心泵叶轮设计包括叶轮的基本外尺寸设计 (叶轮内外半径、叶轮进出口宽度、叶片进出口角及 叶片数)和叶片造型设计两个步骤。许多学者对离心 泵叶轮参数进行了优化设计。汪建华【l】以叶轮圆盘 摩擦损失和压水室内水力损失之和的极小值为目 标,求解最优的叶轮外径、出口宽度、出口安放角 和叶片数。王幼民等【2刁J分别提出了以泵的总能量损 失最小和叶轮直径最小为目标函数,对叶轮进口直 径、叶片进出口角,叶片数等设计变量进行优化计 三副具有不同包角的离心泵叶轮,并对它们进行了 性能试验和数值模拟研究。 1叶轮的基本外尺寸 为了研究方便,本文对一被广泛应用的离心泵 叶轮进行相似换算,得到在转速,z=1125 r/min,设 计流量口矿=5.3 L/s的工况下,叶轮的基本外尺寸如 表l所示。轮盘与轮盖以直线连接,这样叶轮的轴 面流道形状可以确定。若选用单圆弧进行叶片造型 设计,可以得到唯一的叶型;而选用三次以上的高 次曲线造型时,理论上可以得到无数条叶型。由于 三次曲线的可变参数少、叶片易于控制且叶片光滑, 故本文采用三次曲线对叶片进行造型,着重研究包 角y分别为590、750、9lo的C1、C2、C3三副叶轮 的性能。三副叶轮的叶型如图l所示,由图l可见 叶轮C1的型线与单圆弧叶型非常接近。 表1 离心泵叶轮的基本参数 算。孙建平等【4】采用射流一尾迹模型进行三维流动 分析和性能预测,建立了以效率为目标函数的优化 模型,对进口冲角等参数进行优化。朱玉才等pJ通 过控制叶片压力面边界层无分离,设计叶片的型线 并进行试验对比。郭鹏程等【6】在对离心泵进行三维 紊流数值计算的基础上,对叶轮吸力面的旋涡和出 口液流角进行优化。 对于低比转速离心泵叶轮,叶片几乎全部在轴 面流道的径向部分,各流线上叶片进出口速度三角 形基本相同,叶片扭曲很小。由于圆弧型曲线易于 加工,工程上常常采用单段或多段圆弧进行叶片造 13.7 8.8 37.5 90 型设计。事实上,在满足叶轮基本外尺寸相同的条 件下j对叶片进行造型设计的方法很多,叶片形状 的差异也很大,因而泵的整体性能也各不相同。 本文将在保证叶轮的基本外尺寸相同的情况 本文所采用的试验装置在文献【7】中有详细的 描述,图2为三副叶轮在转速刀=1125 r/miIl时的性 。国家自然科学基金(50136030)、江苏省自然科学基金∞l(2007558)、江 苏省高校自然科学重大基础研究(05ⅪA57005)和扬州大学引进人才科 研启动基金资助项目。20061129收到初稿,20070613收到修改稿 2三副叶轮试验测量结果与比较 能曲线可见,对于流量扬程性能曲线月 杨华等:不同叶片包角的离心泵试验与数值模拟 167 相差较大。 №渊一 、j ./《蕊A 厂 表2三副叶轮高效点性能参数 叶轮 Cl 。,茬量8-。, 5.37 5.48 5.34 鬻 4.68 4.74 4.42 鬻 62.48 63.76 62.33 比斧 94.57 94.62 98.43 C2 C3 \\≥ } 三副叶轮性能的差异完全由叶片的包角不同而 引起。随着包角的增大,叶片变长,当量扩散角变 小,叶轮对水流的约束增强,叶轮内脱流的可能性 减小;另一方面叶片越长,摩擦损失将加大。理论 上,在叶轮基本外尺寸确定的情况下,必定存在最 优的叶片包角。通过本文的性能试验研究同样证明 图l三副叶轮的叶型示意图 存在最优叶片包角。 3数值模拟方法与结果分析 本文采用时间推进法求解三维定常雷诺平均 Navi*Stokes方程组,应用格子中心有限体积法, 垂 鞫:! 辍 空间差分采用中心差分格式,添加人工粘性项,时 间项采用4阶Rullge.KlJtta法迭代求解,紊流模型 采用BoldwnLoma】【模型,关于数值计算的方法与 参数设置在文献[8.9]中有详细描述。 3.1叶轮内相对速度场 图3为在行=l 体积流量%,(L?s.1) 125幽,g矿=5.4L/s的工况下, 叶轮中间断面上的相对速度云图,由图3可见Cl 叶轮的五个叶槽内的相对速度分布各不相同,有两 个叶槽的吸力面存在回流区。C2、c3叶轮的各个 叶槽内的相对速度分布比较均匀,没有出现回流, 相对速度分布比C1叶轮内的好。由于叶轮C1的包 角较小,导致当量扩散角大,在叶槽内容易引起脱 流。虽然叶轮C2、C3内的流动没有分离,但C3 的叶片较长,摩擦损失增大,因此C3叶轮的效率 没有C2的高,这与前面试验测量得到的结果相吻 合。 3.2叶片上的载荷分布 叶片上的载荷定义为相同半径上同一个叶槽内 图2三副叶轮的性能曲线基本平行,在相同的流量工况下,C3的扬 程比C2低,在大流量区两者相差尤其明显。对于 Cl与C2,在大流量工况下两副叶轮的流量扬程性 能接近,在小流量工况C1的扬程低于C2。由流量 效率曲线高,而在此以外的区域,C1与C2两副叶 轮的效率曲线基本重合。在相同的流量工况下,C3 的效率均低于Cl、C2两副叶轮的效率值,在大流 量工况相差较大。 三副叶轮的高效点性能参数如表2所示,Cl、 c2、C3三副叶轮的最高效率分别为62.48%、63.76% 和62.33%,C2的最高效率值比C1、C3分别高出 1.28%、1.43%。由三副叶轮的性能测量结果可见, C2叶轮的性能优于其他两副叶轮。叶轮C2的最高 效率点的流量、扬程均大于Cl、C3的值。在叶轮 外尺寸确定后,根据欧拉公式计算得到的理论扬程 应相等,但由于不同的叶型,使得叶轮内部的流场 结构不同,根本原因在于滑移系数不同,使得扬程 叶片压力面与吸力面上的压力之差,即:肇印坤。, 如图4所示。式中耶为叶片压力面的压力,凤为叶 片吸力面的压力。图5为三副叶轮在计算工况点, 不周叶槽内叶片上的载荷随叶轮半径的变化图。图 5中F为叶轮的相对半径,歹为载荷印与参考压力 o.5舢;的相对比值,其中p为水的密度,“:为叶轮 外径处的圆周速度。由图5可见,三副叶轮叶片上 的载荷随半径的增加而减小。叶轮C1各叶槽内的 载荷分布存在较大的差异,而叶轮C2、C3各叶槽 万方数据 机耋l∥雾;耋薹 圣委圣耋答|萋囊 蓁 羹 鬟 冀 雾 冀 妻耋!÷三l誓;;i薹 羹i≥?? 毒孽主童 薹皂lR蠢蠢墓薹“勘鬻霞鳋羹和薹篓耋薹掣茧邹!羹蔷雾萋谔两;吨蓁囊惰≤峨瑚 羹雕雾蠢霾蓁霪雾篓蒺熏羹羹薹 蓁霎藿2 羹霾鐾8冀羹羹薹』 S目。磊Ft墓髫羡孽强冀 万方数据 2007年10月 杨华等:不同叶片包角的离心泵试验与数值模拟 169 【10】吴达人.离心泵流体力学【M】.北京:,中国电力出版 4结论 (1)三副叶轮内的相对速度分布及性能的差异 社,1998. 完全由叶片的包角不同而引起的。在离心泵叶轮外 尺寸不变的情况下,存在最优包角。 (2)通过对三副叶轮的试验测量和数值模拟的 对比研究,表明C2叶轮的性能优于Cl、C3叶轮。 单圆弧叶型不是最佳叶型。 参考文献 【l】汪建华.离心泵叶轮参数的优化设计叨.排灌机械, 1994(2):13-1 7. [2】王幼民,唐铃风,苏应龙.离心泵叶轮的优化设计模型 【J】.北京工业大学学报,2000,26(2):115-118. [3】王幼民,杨国太,桂诗祥,等.中低比转速离心泵叶轮 几何参数优化【J】.安徽机电学院学报,200l,16(1): 40_43. EXPERIMENT AND NUMERICAL SIMULATION oF CENTRIFUGAL PUMP 、^,ITH DIFFERENT WRAP ANGLE 删vG协一删国口Dt删VG忍,即f增。 Gc,国枷,lg口,孝 Q.college醇E船r秽口nd 2.Sch00l可Mech勰 PoWer Eng诬eering, 强n铲hou弧ivers乱y,Yan铲h佣22500吼 【4】孙建平,张克危,刘龙珍.离心泵叶片形状的优化[J】. 华中理工大学学报,1997,25(2):60.62. [5】朱玉才,梁冰,张永利,等.离心泵无分离条件下叶片 型线方程研究[J】.机械工程学报,2003,39(3):7l一75. [6】郭鹏程,罗兴铸,刘胜柱.基于三维紊流数值计算的离 心泵叶轮优化设计【J】.机械工程学报,2004,40(4): 181.184. 【7】YANG Hlla,GU Ch啪g姐g’wANG T口ng.TⅣo-dimen. sional panicle image a眦sparent Mech蚰ical Eng鼬g,2005,18(1):98-102. velociIne仃y(PIV)mea蛐em∞ts in cenn哇啦al p啪“J】.Chin∞e Jo啪1al of 【8】杨华,谷传纲,王彤.时间推进法求解离心泵内部不可 压流场[J】.工程热物理学报,2005,26(1):61—65. 【9】杨华.基于整机紊流模拟的离心泵叶型优化方法与实 验研究[D】.上海:上海交通大学,2005. 万方数据

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