叶轮结构参数对轴流泵性能的影响

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[摘要] 运用计算流体动力学CFD软件CFX基于标准RNGk-ε紊流模型,对轴流泵装置内部的三维流场及其运行特性进行数值分析。通过计算结果,探讨了轮毂形状、叶片安放角度等结构参数对轴流泵性能的影响,并通过试验验证了计算的结果。该结论对轴流泵设计人员有一定的参考价值。
[关键词] 叶轮结构参数 轴流泵性能 影响
　　
　　1 数学模型与边界条件
　　1.1计算模型和网格剖分
　　计算模型中进出水流道采用CFX的几何造型模块ICEM进行三维几何建模和网格剖分,叶轮和导叶则是用Turbo-grid进行建模和划分网格,最后再把所有模型导入CFX中进行总装如图1。
　　本次计算所采用的模型泵,其主要参数包括:叶轮直径为300mm,叶轮转速为1450r/min,叶轮叶片数为4片,导叶数为7片。
　　由于轴流泵装置的结构比较复杂,生成网格时,叶轮和导叶部分网格采用结构化的网格,并且进行了加密,而对于进出水流道的网格则适当的降低。
　　1.2基本控制方程及湍流模型
　　采用三维雷诺时均N-S方程来描述贯流泵内不可压缩流体的湍流流动。湍流模型采用RNGk-ε紊流模型,因其适用于计算曲率较大、旋转流动、分离流动等较复杂的流动。
　　RNGk-ε紊流模型的k、ε方程为:
　　1.3边界条件
　　采用质量进口,给定进口边界上的流量。压力出口,设定出口的压力。在固体壁面处规定无滑移条件。
　　2 计算结果及分析
　　为便于研究各参数对该泵性能的影响,在改变一个叶轮结构参数时,其它参数均保持不变。
　　2.1叶轮轮毂形状变化对轴流泵性能的影响
　　本文计算了在相同轮毂比时轮毂形状分别为圆形(h17t7archub)和圆柱形(h17t7hub)时,流量在299L/s~388L/s的多个不同流量工况下的装置运行特征,得到其性能曲线见图2、图3。
　　由图2、图3可以看到,在相同的轮毂比的情况下,当球形轮毂变为圆柱形轮毂时,叶轮内部过流面积减小,相对于球形轮毂来说圆柱形轮毂的叶轮排挤系数变大,计算结果显示,在相同的流量下其扬程和轴功率减小,效率也有所减小,并且最大效率点向小流量偏移。
　　2.2 叶片安装角对轴流泵性能的影响
　　本文计算了轴流泵在叶片安装角分别为-4°,0°,+°时,流量在299L/s~388L/s的多个不同流量工况下的装置运行特征,得到其性能曲线见图4、图5。
　　由上图可知,叶片安放角越大水流冲角变大,扬程逐步增加。计算得到的性能曲线,符合轴流泵性能曲线的一般规律,说明该数值模是可信的。
　　3 结论
　　通过对轴流泵装置内部三维流场的数值模拟,得出以下结论:
　　(1)在轮毂比相同的情况下,计算了当叶轮轮毂由球面变化为圆柱面时,泵段外特性的变化。得出其在相同的流量下轴流泵扬程和轴功率减小,效率也有所减小,并且最高效率向小流量偏移。
　　(2)叶片安放角变大,相当于水流冲角变大,在相同的流量下装置的扬程和轴功率增大。