径向间隙对离心泵流动特性影响数值模拟研究

针对离心泵非定常流动所引起的蜗壳流道内的压力脉动以及叶轮上的径向力问题,提出改变蜗壳基圆直径的方法来改变叶轮与隔舌之间的间隙,从而改变蜗壳内的压力脉动和叶轮上的径向力。基于SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法,研究了径向间隙对蜗壳压力脉动以及叶轮上的径向力的影响。分别设计了4种不同基圆直径的蜗壳,蜗壳基圆直径分别为180、184、200、220 mm,其对应的间隙率分别为3.45%、5.75%、14.94%、26.44%。通过对4种模型进行非定常计算,获得不同间隙率下蜗壳内壁的压力脉动特性和作用在叶轮上的径向力。结果表明:偏离设计工况时,叶轮所受的径向力达到设计工况的5~7倍,且径向力的脉动幅值达到设计工况10倍以上;随着间隙率的增大,叶轮所受的径向力脉动幅值减小;当间隙率从5.75%增大到26.44%时,隔舌处压力脉动的脉动幅值减小50%以上;随着间隙率的增大,蜗壳内壁的压力脉动的脉动幅值均减小;当间隙率为26.44%时,蜗壳内壁的压力脉动的脉动幅值约为间隙率为5.75%时的50%;在小流量工况下,适当增大间隙率可以减少叶轮流道内涡的生成。

对一种新型圆柱形叶片型线方程的分析

为帮助离心泵设计人员准确认识与理解非等变角螺旋线这一新形型线的几何特性,消除广泛存在的对这一型线的性能与设计要求的误解,以数学方法为依据导出了这一曲线的极坐标方程和包角的限制条件,由此形成了在叶片设计中应用这一优势曲线的完整可行方法。叶片包角是离心叶轮圆柱形叶片的重要几何参数,有一种模糊认识,认为在使用等变角螺旋线选择包角值时,包角由设计人员自行确定,其值不受任何限制。在分析这一曲线的极坐标方程后,这一类曲线包角的选择仍然必须受到限制,这种约束是由曲线在进出口处的几何特征决定的,不同的叶片包角可取范围的上下限有不同的计算值,导出了这一限制区间由曲线特性决定的两个边界值的数学表达式,并按一般统计规律选择的最佳叶片包角只有进入这一区间时方可得到预期的结果。本文以试验对比结果证实了叶片设计新方法对改善叶片水力性能有积极作用。

可控进口叶片角的圆柱形叶片设计

圆柱形叶片是低比转速离心泵叶轮常用的叶片形式。在过去圆柱形叶片设计实践中,只根据选定冲角准确计算叶片进口边与后盖板相交处的叶片安放角,进口边与前盖板相交处的叶片冲角与安放角则是自然形成的。这种设计过程造成了在上述点处及其附近范围内叶片表面方向与来流方向不匹配,叶片进口边上叶片角随机分布的结果形成了叶片入口不可低估的冲击损失。本文提出的设计新方法则在保持圆柱形叶片二维几何特征的条件下,同时准确确定叶片进口边与前、后盖板相交两点处的流动冲角及叶片角,沿叶片进口边各处叶片角分布改善的结果,将避免过大的叶片入口冲击损失,提升叶轮水力效率。为实现上述目标,叶片表面的平面投影不同于传统设计仅含一条曲线,而是由一等变角螺旋线与一Hermite插值曲线光滑、连续地拼接而成。对这两种曲线各自的优点及适应性进行对比,结果表明,本文新方法形成的圆柱形叶片能在较大运行范围内改进泵的能量指标。