本站小編為你精心準備了兩級離心泵中徑向導葉的水力性能參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《排灌機械工程學報》2014年第五期

1正交試驗設計

BQS35－200／2－55／N型礦用潛水泵設計流量Q＝35m3／h，設計揚程H＝200m，轉速n＝2980r／min，采用兩級葉輪，配套功率55kW．葉輪主要水力尺寸：外徑D2＝280mm，出口寬度b2＝10mm，葉片出口安放角β2＝27°，葉片數Z＝4．導葉主要水力尺寸：基圓D3＝290mm，外徑D4＝370mm，正導葉葉片數為5．泵的具體結構如圖1所示．徑向導葉中關鍵的幾何參數主要有正導葉進口安放角α3、喉部面積F3、擴散角、反導葉進口安放角α5、反導葉高度b5、反導葉葉片數Z2、反導葉出口安放角α6等。由于該泵運行流量較小，因而出口絕對液流角較小，應當設計較小的正導葉進口安放角，而對于喉部面積的設計，通常根據面積比原理來確定，Anderson針對普通離心泵定義面積比系數Y：但根據文獻［17］中所統計得到的面積比系數與比轉數之間的關系來確定導葉喉部面積仍有一定的不確定性，故文中首先將喉部面積F3（徑向高度×寬度）作為試驗研究因素之一；流體流經擴散段時，過流斷面面積增大，因而流速相應地逐漸降低，增加壓能，擴散角的大小則可能對于流動水力損失有較大影響，故將擴散角作為試驗研究因素之二；反導葉進口安放角通常可由進口液流角求得，出于對礦用潛水泵的軸向尺寸特別是正反導葉過渡面積比值的考慮，故將反導葉高度b5作為試驗因素之三；反導葉葉片數對于消除流場內旋渦、降低流動損失同樣起到重要作用，但其具體數量的優劣尚未有依據可循，故將反導葉葉片數Z2作為試驗因素之四．考慮到反導葉出口安放角α6對次級葉輪的進口流場產生的影響，為了降低次級葉輪進口預旋，按照常規選取為90°．現選取F3，，b5，Z2作為試驗因素，且分別用代號A，B，C，D表示，選擇因素水平如表1所示．根據L9（34）正交表，確定試驗方案如表2所示．

2水力模型與數值計算

2.1導葉結構圖2為徑向導葉結構圖．依據設計參數對徑向導葉分別進行水力設計，在UG中進行三維造型，其水力模型與實體造型如圖2所示．其中，b3為導葉進口軸面寬度；b4為正導葉葉片出口寬度；b5為反導葉葉片寬度；a3為導葉喉部平面寬度；a4為導葉出口平面寬度；L為擴散長度．擴散段進口喉部面積F3＝a3b3，擴散段出口面積F4＝a4b4，擴散角按式（2）［6］確定。

2.2CFD分析方法根據兩級泵具體的結構尺寸與形式完成整泵水體的造型．由于該泵為內裝式隔爆式潛水泵，流體經蝸室流出后充滿隔爆外殼與電動機的間隙，最終流出出水法蘭，該部分水體較多，但其流速較小，因而水力損失較小，且其對計算結果的影響較小，故將該部分水體省略．最終全流場包括進口段水體、首級和末級的葉輪水體、泵腔水體、口環間隙水體、雙蝸殼水體以及末端泄壓水體．圖3為模擬該泵的計算區域，為了得到穩定的進口和出口流動狀態，對進口部分和出口部分水體進行了適當延伸．網格的數量與質量對于計算結果的準確性有著重要的影響，利用ICEMCFD軟件對全流場進行結構網格劃分，并對固體壁面處網格進行適當加密，總體網格質量在03以上；通過增加網格數量的方法降低網格數對計算結果準確性的影響，但過多的網格數會相應地增加計算機的計算時間，因此也不宜選用過多的網格數．文中以額定工況點的外特性作為指標，對比不同網格數下的計算結果，作為對計算準確性的判斷．圖4為網格節點數對外特性的影響，從圖中可看出，當網格節點數N在400萬以上時，泵的揚程和模擬效率（未考慮機械效率）的變化較小，文中選取總網格節點數為420萬，圖5為結構網格劃分結果．將網格導入CFX軟件中進行數值計算，設定整個流道內部的流場為三維不可壓穩態黏性湍流流場，建立相對坐標系下時均連續方程和動量方程．采用標準k－ε湍流模型，全隱式耦合算法，設定葉輪旋轉速度為2980r／min，葉輪水體處于運動坐標系，其余水體均處于固定坐標系，兩者在交界面耦合，其中泵腔水體中與葉輪前后蓋板接觸面設置為旋轉面，轉速同葉輪轉速．邊界條件設為速度進口，壓力出口，并假設出口流動為充分發展．固體壁面為無滑移邊界條件，近壁區采用標準壁面函數，設定收斂精度為10－5．

3結果與分析

經CFD數值計算，得到表2設定的9個試驗方案的模擬結果，將揚程和效率作為試驗指標，在額定工況Q＝35m3／h時，9個導葉方案的揚程、效率的數值模擬結果如表3所示．為了確定所選因素對泵性能的影響，找到主要因素及優化方案，對正交試驗結果進行極差分析，結果如表4所示，其中H為揚程；η為模擬效率（未考慮機械效率）；K1，K2，K3分別為相應水平下的試驗指標之和；珔K1，珔K2，珔K3分別為相應水平下試驗指標的平均值。從表4極差分析中可看出，各列的極差R是不相等的，這說明所選試驗因素的水平改變對試驗結果的影響是不相同的．極差越大，表示該列因素的數值在試驗范圍內的變化會導致試驗指標在數值上有更大的變化，因此極差最大的一列，即因素的水平對試驗結果影響最大的因素，就是最主要的因素．經極差分析，對比得到了所選水力幾何參數對多級泵的揚程和效率影響的主次順序，分別為F3，b5，，Z2和F3，b5，Z2，．各因素下的水平對于多級泵的性能的影響按主次順序自上而下列出，如表5所示．從表5中可看出，因素A對于多級泵的揚程和效率的影響主次順序一致，同為A1，A2，A3，故可選擇水平A1作為優化結果，而因素B對多級泵的揚程和效率的影響規律卻不一致，因素C對于多級泵的揚程和效率的影響主次順序一致，同為C2，C3，C1，故可選擇水平C1作為優化結果，而因素D對多級泵的揚程和效率的影響規律卻不一致．為了分析某一因素對于多級泵揚程和效率的相對影響程度，現定義相對影響指數。

4試驗驗證

為進一步驗證優化方案的效果，根據正交試驗所得到的優化方案制作新的徑向導葉，進行外特性試驗．由于礦山中裝置揚程較高，故將流量為21～49m3／h的5個相對較小流量運行工況下的數值計算結果與試驗結果作對比．對比結果如圖6所示．優化后多級泵額定工況下試驗的揚程為20545m，機組效率為3403％；數值計算所得額定工況的揚程為21170m，泵效率為4763％，數值計算與試驗的揚程相對誤差為304％．對于效率而言，由于試驗所得的為機組效率，若按照標準MT671—2006規定配套潛水電動機效率約為85．00％，機組效率模擬值為4048％，但此時依然未考慮內裝式的電泵結構導致的水力損失以及模擬誤差等，數值模擬結果略高于試驗值，但性能曲線趨勢基本一致．優化之前的原始方案為第5組方案，數值計算額定工況的揚程為21046m，泵效率為4363％，文中的優化使得多級泵揚程提高了124m，泵效率提高了4．00％．5結論以兩級葉輪的潛水泵為研究對象，經數值模擬和試驗驗證，綜合得到徑向導葉中所選各參數對于多級泵能量特性的影響．1）所選參數對多級泵揚程影響的主次順序依次為：喉部面積、反導葉高度、擴散角、反導葉數；所選參數對于多級泵效率影響的主次順序依次為：喉部面積、反導葉高度、反導葉數、擴散角。2）喉部面積對于徑向導葉的水力性能有重要的影響，在徑向導葉的設計中需尤為重視．正交數值計算試驗對于徑向導葉的優化設計具有一定參考價值．

作者：曹衛東劉光輝劉冰單位：江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心