叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响

叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响

林刚, 袁建平, 司乔瑞, 周帮伦, 孙威

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013)

林刚

摘要：为研究叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响规律,以IS65-50-160型低比转数离心泵为研究对象,基于Standardk-ε湍流模型,对模型泵进行三维定常数值模拟,得到模型泵的性能曲线,并与试验结果进行对比,分析了叶片数、叶片进口冲角和叶片进口边位置3个叶轮几何参数对模型泵进口回流特性的影响,研究回流发生时不同工况下的速度、流线分布．研究结果表明:叶轮进口回流首先发生在管壁附近,随着叶片数增加,叶轮进口回流速度不断减小,当叶片数Z=7时,模拟的扬程在各个工况下均较高,回流强度较小;当叶片进口冲角Δβ=10°时,流体从叶轮进口向进水管的反向流动速度较小,叶轮流道流线分布较好,回流强度较弱;当叶片进口边向前延伸时,离心泵性能得到改善,叶轮进口回流强度有减小的趋势．

关键词：离心泵;几何参数;进口回流;数值模拟

林刚, 袁建平, 司乔瑞， 等. 叶轮几何参数对离心泵进口回流特性的影响[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(2):106-112.

LIN Gang, YUAN Jianping, SI Qiaorui, et al. Effect of impeller geometric parameters on characteristics of inlet recirculation in centrifugal pump[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(2):106-112.(in Chinese)

离心泵在偏工况运行时,叶轮进口容易产生流动分离和回流现象[1]．进口回流是液体在叶片的入口处发生分离而引起的反向流动．回流的存在使得叶轮进口产生非均匀进流,导致泵的效率降低,减小了泵的高效区[2]．同时回流引起叶轮内部的空化加剧,损伤泵体材料,造成机械振动,降低泵运行的可靠性,缩短了泵的使用寿命[3]．回流现象广泛出现在风机、水泵、涡轮机、压缩机等透平机械中,通过对离心泵进口回流进行研究,了解回流流场的速度和压力特性,分析回流产生的原因和对泵性能的影响,探讨抑制回流的方法,从而降低回流的影响和危害．

SANKAR等[4]通过试验发现在混流泵的壳体上开设“J”形凹槽可以有效地避免扬程-流量性能曲线上出现拐点,并且还可以显著降低流场内部旋涡强度,缩短回流流体向进水管的传播距离．袁建平等[5]采用正则化螺旋度分析法对离心泵进口回流旋涡的涡核强度进行分析,发现离心泵进口发生回流的初始流量点为0.6Qd(Qd为泵设计流量)．CHOI等[6]利用外特性试验和PIV内部流场测试,对低比转数离心泵叶轮内部流动和性能展开研究,表明半开式叶轮进口存在较大的回流．QIAO等[7]、YOSHIDA等[8]分别采用大涡模拟方法,比较分析了诱导轮前回流旋涡的形态、结构、数量以及在不同工况下回流区大小的变化．FRASER[9]认为离心压力和动力水头这两者的平衡点即是回流发生的流量点．KAZUHIKO等[10] 采用小气泡进行了可视化试验,通过改变流体的轴向速度和旋涡的切向速度,研究了旋涡的结构、数量以及涡核位置．张金凤等[11]提出了在离心泵进口加注高压水的回流控制方案,分析不同注入水压下离心泵进口流场和回流形态的变化．杨华等[12]通过在轴流泵进口放置挡板,抑制小流量下轴流泵进口的回流,有效提高了小流量下轴流泵运行效率．魏立超等[13]对一高速离心泵进行研究,发现0.6Qd下高速泵进口诱导轮回流较严重,随着流量增大,回流旋涡逐渐减弱．

文中采用计算流体动力学与试验相结合的方法,对比分析叶片数、叶片进口冲角、进口边位置3个叶轮几何参数对模型泵进口回流特性的影响规律,以得到影响进口回流特性的主要因素,为抑制离心泵进口回流提供理论依据．

1 叶轮主要几何参数

文中主要分析3个叶轮几何参数对模型泵进口回流特性的影响,分别为叶片数Z、叶片进口冲角Δβ和叶片进口边位置(见图1),其中叶片数Z=5,6,7,进口冲角Δβ=0°,5°,10°．

图1 叶片进口边位置示意图

Fig.1 Schematic diagram of blade leading edge position

2 计算模型与网格划分

2.1 计算模型

选用IS65-50-160型低比转数离心泵为研究对象,其主要性能参数分别为设计流量Qd=25 m3/h,扬程H=32 m,转速n=2 900 r/min,比转数ns=65.5．过流部件的主要几何参数分别为叶轮进口直径D1=65 mm,出口直径D2=165 mm,叶片数Z=6,出口宽度b2=7 mm．

应用Pro/E软件对模型泵进行三维造型,为了减小进出口边界条件和造型对进口回流的影响,将进水管道和出口段作适当延伸[14]．计算区域包括进水管、叶轮和蜗壳水体组成的流道,如图2所示．

图2 模型泵计算域三维造型

Fig.2 3D model of computational domain of model pump

2.2 网格划分

文中选用ICEM软件模型泵对计算域进行四面体非结构化网格划分．为了保证叶轮内的流场能够真实地反映流体的流动情况,采用全流道划分网格,并进行网格无关性的检验．当检验的网格数N分别为1 522 732,1 734 256,1 843 408,1 951 934,2 054 358,2 169 782,2 287 754,2 394 956时,相应的计算扬程分别为34.82,34.70,34.56,34.52,34.49,34.50,34.49,34.50 m,如图3所示．

图3 网格无关性分析

Fig.3 Check of grid independence

由图3可以看出:随着网格数增大,计算扬程逐渐接近试验值,当网格数达到一定值时,计算扬程趋于稳定．

综合考虑计算的准确性和经济性,最终选用网格数为2 054 358的模型泵进行计算,此时叶轮网格数为656 382,蜗壳网格数为846 964,进口段网格数为581 012,如图4所示．

图4 模型泵计算域网格划分

Fig.4 Meshes of computational domain of model pump

采用标准k-ε湍流模型,该模型能够真实地描述各种流场的物理过程,同时具有较好的通用性和精度[15]．叶轮区域的流场采用旋转坐标系下的控制方程求解,其他区域采用静止坐标系控制方程求解．叶轮进口采用速度进口边界条件,出口为自由出流边界条件,在固壁上采用黏性流体无滑移边界条件,在近壁区采用标准壁面函数法．

3 计算结果分析及试验验证

3.1 外特性预测及试验验证

为了验证数值计算的正确性,对IS65-50-160型低比转数离心泵进行外特性试验,试验在江苏大学流体机械工程技术研究中心实验室水泵开式试验台上进行,试验台布置示意图如图5所示,试验满足2级精度要求．

图5 试验台布置示意图

Fig.5 Sketch of test rig

根据试验测量数据,可以得到各流量工况下泵的扬程值,并与数值计算扬程值进行对比,如图6所示,可以看出,试验曲线和数值计算曲线变化趋势一致,而计算值均稍大于试验值,相对误差均小于5%,表明文中所采用的数值计算方法是可靠的．

图6 性能预测与试验对比

Fig.6 Comparison of performance between CFD prediction and experiment

3.2 监测点设置

分别在叶轮进口截面距离中心0,6.5,13.0,19.5,26.0,32.5 mm处设置6个监测点,从下到上依次为P1,P2,…,P6,如图7所示．

图7 叶轮进口截面监测点设置

Fig.7 Distribution of monitoring points in cross-section of impeller inlet

选择靠近蜗壳出口处的单个叶轮流道作纵向的5个截面,截面由叶片工作面和背面等分后连接而成,如图8所示,选择截面1,3,5分析截面上的流线分布以研究叶轮流道内部回流旋涡的发生、发展和回流的流动特性．

图8 流道截面位置示意图

Fig.8 Schematic diagram of cross-section in flow channel

3.3 叶片数对离心泵进口回流特性的影响

一般地,将叶轮进口出现与主流方向相反且具有很大周向速度的流体时作为回流发生的界定．图9为不同叶片数时,不同流量下监测点的轴向速度变化,以主流方向的反方向为正方向,当速度为正值时,说明发生回流．

图9 不同叶片数不同流量下监测点轴向速度

Fig.9 Axial velocity at monitoring points for different numbers of blades and flow rates

由图9可以看出:当流量小于0.7Qd时开始发生回流,因此文中将0.7Qd作为回流发生的流量点;比较图9a,b发现,在流量大于0.6Qd时,2种叶片数下的叶轮进口液流轴向速度基本相似,相比于叶片数为6时,基本可以认为叶片数为5时进口回流的发生流量点并未改变,且流量小于0.6Qd时回流的轴向速度较大;叶片数Z=5时,在0.7Qd时只有监测点P6的值为正,而在0.2Qd和0.3Qd时,6个监测点基本上都为正,说明回流发生的位置逐渐由管壁向中心变化;叶片数Z=6时管壁处的回流强度最大,在0.4Qd时回流发展到管径中心位置;叶片数Z=7时,全部监测点的值以负数为主,只有P6的值比较突出,这说明此时叶轮进口回流情况得到较大的改善,由此可知,管壁处监测点的轴向速度比其他点大,向管径中心有减小的趋势,表明进口回流发生的主要位置在管壁处．

由于0.6Qd工况下模型泵已经产生回流,因此在截面上能够观察到旋涡的存在．图10为不同叶片数时所取截面上的流线分布．

图10 不同叶片数值时叶轮流道截面上流线分布

Fig.10 Streamlines in cross-sections in impeller channel at different numbers of blades

由图10a可以看出:截面1在前盖板靠近吸力面处有一个旋涡;从流道进口到出口,旋涡逐渐向压力面靠近,先消失然后有部分流体被卷起,形成涡核,最后在靠近压力面附近重新形成2个新的旋涡．

由图10c可以看出:当叶片数为7时,截面上旋涡生成、发展的规律与叶片数为5,6时相似,均为先在前盖板靠近吸力面处产生旋涡,并且范围逐渐扩大,强度增加,向工作面运动并最终在后盖板靠近压力面处形成新的旋涡;当流量减小时,液流的冲角增大,使叶片前缘的制止点向压力面移动,形成一股由工作面通过前缘向背面的绕流,同时回转流面上相对液流方向压力梯度增大,来流的动量减小,因此在叶轮前盖板处容易产生旋涡和回流．

3.4 进口冲角对离心泵进口回流特性的影响

图11为不同叶片进口冲角时,不同流量下监测点处流体的轴向速度变化.

图11 不同进口冲角时监测点轴向速度

Fig.11 Axial velocity of monitoring points with different angles of attack

可以看出:冲角为10°时,回流比较平稳;当冲角为0°和5°时,监测点处流体反向速度较大,这说明回流强度大;当流量大于0.7Qd时,叶轮进口处的液流与主流方向一致,没有产生回流;当冲角为0°时,除了监测点P6处流体的反向速度较大以外,其他监测点的流动方向基本与主流相同;在0.4Qd～0.5Qd流量下,叶轮进口截面上的流体反向速度最大,回流比较活跃;在小于0.7Qd工况下,监测点P6处的流动始终与主流方向相反,这是由回流导致的,回流加剧了流体从叶轮进口向进水管反向的流动．

图12为不同叶片进口冲角时,叶轮流道截面上的流线分布,可以看出:在前盖板处生成一个旋涡,旋涡向后盖板继续扩大,存在2个旋涡,然后旋涡分解、发展,在靠近工作面处生成新的涡,此时旋涡充满整个流道截面,严重影响了模型泵的性能(见图12a);当冲角为10°时,截面1流线分布较均匀,并在截面3上靠近后盖板处生成旋涡,旋涡分解扩散最终在靠近压力面生成新的旋涡(见图12c),此时截面上流线分布比其他冲角时稍好,与冲角对离心泵水力性能的影响相吻合．

图12 不同进口冲角时叶轮流道截面上流线分布

Fig.12 Streamlines in cross-sections in impeller channel at different angles of attack

3.5 进口边位置对离心泵进口回流特性的影响

图13为不同进口边位置在不同流量下监测点处流体的轴向速度变化,可以看出；进口边为位置1时各监测点出现与主流速度相反的情形较少,主要是P3和P4,说明此时叶轮进口截面处的回流主要发生在管道中心与管壁中间处;位置2反向速度比较大的监测点是P5;位置3与主流反向的监测点是P1和P2,表明此时叶轮进口截面处的回流主要发生在管壁处;监测点P6在图13a中的0.7Qd工况时出现与主流反向的正速度,在图13b中的0.6Qd时出现正速度,在图13c中则0.5Qd时出现正速度,由此说明随着叶片进口边位置的后缩,回流产生的流量点也随之降低．

图13 不同进口边位置不同工况下监测点轴向速度

Fig.13 Axial velocity at monitoring points at different leading edge positions and flow rates

图14为不同进口边位置时,叶轮流道截面上流线分布,可以看出:各位置截面上的旋涡变化规律与叶片数和冲角对离心泵流场的影响规律基本相同,即首先在前盖板靠近吸力面附近产生旋涡,逐渐向后盖板和压力面运动,最后生成新的旋涡;当离心泵流量减小或者叶轮流道发生堵塞时,进入叶轮的液流会发生变化,液流向着叶片压力面冲击,在吸力面发生脱流,这是旋涡首先发生在吸力面处的原因;位置2和位置3产生了大量的旋涡,流场比较混乱,相对而言,位置1的流场较均匀,可见叶片进口边前伸不仅能提高泵的水力性能,而且对回流的影响也有改善效果．

图14 不同进口边位置时轮流道截面上流线分布

Fig.14 Streamlines in cross-sections in impeller channel for different leading edge positions

4 结 论

应用CFD技术对IS65-50-160型低比转数离心泵进行数值计算分析,并与试验结果对比,得到结论如下:

1) 在3种叶片数下,旋涡的发展规律基本相同．旋涡都是先在前盖板靠近背面处产生,然后范围逐渐扩大,强度增大,向工作面运动并最终在后盖板靠近工作面处形成新的旋涡．

2) 冲角为10°时,泵的扬程和效率都有适当的提高．冲角为0°时,监测点5处流体的反向速度比较大,叶轮进口管壁处回流运动比较活跃,这可能是由于回流导致了流场紊乱．冲角为10°时,截面上流线分布比其他2种冲角分布较均匀．

3) 回流发生的流量点随叶片进口边位置的后缩而降低,叶片进口边为位置2和位置3时产生了大量的旋涡,而位置1旋涡较少,这说明叶片进口边前伸能够改善回流．

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(责任编辑 陈建华)

Effect of impeller geometric parameters on characteristics of inlet recirculation in centrifugal pump

LIN Gang, YUAN Jianping, SI Qiaorui, ZHOU Banglun, SUN Wei

(National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

Abstract：In order to study the influence of impeller geometric parameters on inlet recirculation, three-dimensional steady numerical simulations of the flow within a low specific speed centrifugal pump IS65-50-160 were conducted using the standardk-ε turbulence model. The hydraulic performance of the pump were predicted and compared with experimental results. The influences of number of blades, angle of attack and blade leading edge position on the inlet recirculation were clarified, and the distribution of velocity and streamline under different operational conditions were discussed, too. The results show that the inlet recirculation first occurs near the wall of inlet pipe. The velocity of recirculation flow decreases with the increase of number of blades. The predicted pump head is higher under every condition and there is a weaker recirculation when the number of blades is 7. The recirculation flow velocity from the impeller to the inlet pipe is much lower and the streamlines in the impeller channels are distributed evenly at 10° angle of attack, suggesting a suppressed recirculation in the pump. The pump has a better performance and its recirculation zone is decreased when the leading edge is extended further into the impeller eye.

Key words：centrifugal pump;geometric parameters;inlet recirculation;numerical simulation

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.15.0290

收稿日期：2015-12-23;

网络出版：时间： 2017-01-13

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170113.1645.022.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51509108); 江苏省自然科学基金资助项目(SBK2015042921)

作者简介：林刚(1989—),男,湖北黄冈人,硕士研究生([e-mail]),主要从事流体机械流动诱导噪声研究． 袁建平(1970—),男,江苏金坛人,研究员,博士生导师(通信作者,[e-mail]),主要从事流体机械及工程研究．

中图分类号：S277.9; TH311

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2017)02-0106-07