基于分缝翼型设计的贯流泵水力特性研究_郭丽萍.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报 ：基于分缝翼型设计的贯流泵水力特性研究郭丽萍，张佳杰，项春（嘉善县农村水利管理服务中心，浙江 嘉兴 ；浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 ；浙江水利水电学院 科技处，浙江 杭州 ）摘要：沿海地区泵站运行扬程受潮水影响涨幅变化大，小流量工况下贯流泵水力性能难以保证，为有效解决传统单一工况设计的贯流泵叶轮性能难以满足多工况条件下的使用需求问题，在不改变叶轮基本参数的基础上，参照飞机襟翼设计方法，运用 模拟仿真软件对叶轮截面翼型进行分缝设计及优化。计算结果表明，采用分缝设计的叶轮能有效抑制“马鞍区”的形成，可有效提高小流量工况下贯流泵的水力性能。关键词：贯流泵；分缝翼型；模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，“”，：；收稿日期：基金项目：浙江省重点研发计划项目（）作者简介：郭丽萍（），女，浙江嘉兴人，高级工程师，主要从事水利生产运行管理工作，：。贯流泵因具有扬程低、流量大、性能好等优点，在南水北调等工程中得到了广泛的应用。叶轮作为泵装置最重要的过流部件，其设计好坏直接影响泵站总体性能。国内现有的一些大型低扬程泵站，由于设计不合理、建设标准低、工况波动等原因，叶轮长期处于偏离最优工况运行，易出现运行效率低、工作寿命短、稳定性差等问题。为提高低扬程贯流泵在多工况下的运行性能，常采用变频和变角等调节方式，以及优化流道型线和叶轮模型等优化方法来提升泵站运行效率，但这些方法均有一定局限性。为有效提升贯流泵的适用范围，笔者参照飞机襟翼设计方法，对贯流泵叶轮采用分缝翼型设计，据此改善贯流泵在小流量工况下的运行稳定性，拓宽贯流泵叶轮多工况下的运行性能。笔者以叶片叶展 截面数据为研究对象，将三维数据翼型展开为平面数据，导入 软件中进行分缝设计，根据翼型的升阻力性能优选出合适的分缝位置，在二维模型优化的基础上，其他组的叶片数据做等比例移动，生成三维叶轮模型，并与原叶轮模型水力性能做对比，分析叶轮分缝设计对贯流泵水力性能的影响。原始叶轮性能数值模拟 泵站基本参数浙江省一泵站，单机设计流量，共台，总规模 ，为大（）型水利工程，泵站设计扬程 ，最大扬程 ，最小扬程 。水泵叶轮直径，为国内叶轮直径最大的竖井贯流泵，配套电压 、功率为 的异步变频电动机，通过齿轮减速箱与水泵联接，特征参数如表所示。表某泵站水泵装置特征参数名称参数设计装置扬程 最大装置扬程 最小装置扬程 单机设计流量（）设计总流量（）转轮直径 设计运行转速（）实际运行过程中，因泵的最高扬程和最低扬程受潮水涨幅影响较大，传统叶轮最高扬程与设计扬程之比不大于，而该泵站两种扬程之比为 ，水力性能难以达到预期效果。为提高贯流泵的实际使用性能，满足多工况下的运行，需对叶轮进行优化设计。叶轮计算模型与网格划分针对该泵站的设计参数，采用数值模拟计算方法，对原始叶轮进行多工况下的仿真计算，分析原始叶轮在小流量工况下工作性能差的原因，为接下来的叶轮优化设计做指导。叶轮计算模型和网格划分如图所示，参照参考文献 的相关数据处理方法，将原始叶轮数据导入 软件中，自动生成叶轮模型，设计工况的叶片安放角为，叶片数为。在数值模拟计算时，以进水流道与叶轮的交界图叶轮前处理模型图面为进口，导叶与叶轮的交界面为出口，轮毂与叶轮外壳为壁面，采用总压进口、质量流量出口的边界条件进行设定。仿真计算结果与分析用 软件进行数值计算，设定初始流量 。为模拟不同水位下，即多工况条件下的运行，以流量为变量，取不同流量工况进行运算，自动计算至收敛后分析叶轮的性能，叶轮性能曲线如图所示。图叶轮模型及仿真性能曲线由图可知，随着流量增加，叶轮效率呈先上升后下降趋势，在 流量下保持较高效率；当流量过小或过大时，效率降低，尤其在小流量浙江水利水电学院学报第 卷工况下泵效率仅为 左右，性能较差；在 流量下运行时，其扬程曲线出现一段先上升后下降，再上升的曲线，该部分称为“马鞍区”。当泵在“马鞍区”运行时，其水力性能较低，且运行极不稳定。通过对叶轮数值模拟计算可知，尽管贯流泵叶轮的高效区较宽，但由于本身扬程较低，受各过流部件影响，泵装置性能不足 ，同时在 流量工况下对应的流量扬程曲线存在一段正斜率区域，影响贯流泵的使用范围。二维叶片的分缝优化设计 优化对象选取为提高叶轮性能，本文对叶片进行分缝，寻找出性能优化较高的切割位置及切割部位形状。叶轮从轮毂至轮缘由内向外共取 组截面数据。现有研究表明，叶片的 截面处的叶片二维翼型性能最能代表叶轮的总体性能，故取图中第组数据作为二维模型优化对象。图原叶轮 截面处相对位置及截面形状 分缝形状设计由于图中的数据点为三维坐标，因此在 表格中，以叶轮中心轴为圆心，将、数据转化为极坐标形式，进行平面转换，生成二维图像。为方便分缝设计及数据点计算，对图像进行移动和旋转变换，使翼型的头部和尾部位于轴，且头部位于坐标原点。将上述生成的数据点导入 软件中，参照参考文献 的多段翼型分缝经验，对叶片进行分缝设计。在原始翼型内部选取不同的点，用光滑的曲线连接，设计出两种不同的分缝方案，翼型弦长 ，厚度d ，部分重要参数用相对弦长表示，模型见图。图分缝翼型示意图由于图的分缝翼型为二维模型，因此基于升力法对两种设计方案和原始翼型进行仿真计算。选取 的不同攻角，计算得出两种设计方案和原始翼型的性能曲线，如图所示。图分缝翼型性能曲线图由图（）可知，分缝前后翼型升力变化趋势大致相同，先升高后下降，原始翼型在 攻角后升力开始降低，分缝翼型仍继续升高至 左右开始降低；分缝翼型最大升力高于原始翼型，最大升力提高了 。由图（）可知，分缝前后翼型阻力变化趋势大第期郭丽萍，等：基于分缝翼型设计的贯流泵水力特性研究致相同，先快速升高后下降，之后缓慢上升，原始翼型在 攻角后升力开始降低，出现失速，分缝翼型在 攻角后失速；分缝翼型最大升力均高于原始翼型，方案最大阻力提高了，方案最大阻力提高了。由图可知，分缝翼型的性能优于原始翼型，方案的性能优于方案，故采用方案的切割形状做进一步优化。翼型分缝位置优化设计选定出方案作为优化的分缝形状后，需对分缝位置进行调整，设计出最高效率的分缝位置。为提高网格划分质量，采用 软件，将方案分缝模型导入进行移动网格位置调整（图）。以初始分缝位置为点，沿轴方向前后移动，向右为正方向每次移动，从 ，共组数据，进行仿真模拟计算，对比水力性能。图分缝位置网格移动图将组网格移动翼型分别带入未进行移动的方案分缝翼型仿真流场中替换原翼型，进行 不同来流方向，即不同攻角下的仿真计算，并分别计算其升阻比并进行整理，计算结果见图。由图可见，随着分缝位置往尾部偏移，升阻比值 逐 渐 增 加，性 能 变 好。其 中 分 缝 位 置 右 移 的方案性能最好，与原始方案交于攻角 位置，相较于原始翼型，攻角下右移，翼型升阻比相对原始翼型提高。图分缝方案对升阻比影响的仿真结果浙江水利水电学院学报第 卷分缝叶轮实体建模及性能仿真将分缝翼型带入到叶轮中，生成叶轮模型如图所示，分缝前后叶片对比如图所示。图基于叶轮直接分缝模型图图分缝前后叶片对比图对叶轮进行数值模拟计算，叶轮性能曲线如图 所示。图 分缝前后叶片性能对比图由图（）可知，在 流量范围内，原始叶轮存在明显马鞍区，分缝设计的叶轮马鞍区消失，在小流量下水力性能较好。图（）为流量效率曲线，在原始叶轮的基础上优化后的分缝的叶轮效率略低于原始叶片，主要是由于叶片分缝后破坏了原始叶片通道流场结构，在小流量下的效率与原始叶轮基本相同，保持相对高效的工作状态。结语笔者以贯流泵叶轮为研究对象，分析泵站在多工况下运行性能较差的原因，研究分缝设计对叶轮性能 的 影 响 并 加 以 优 化，利 用 和 软件对叶轮分缝进行了结构参数改变及数值模拟仿真计算，对比优化前后的性能，得出了如下结论：）分缝设计对翼型性能有改善作用，分缝缝隙从头部往尾部移动过程中，升力增加，阻力减小，升阻比提高。）对比不同的分缝表明尾部分缝翼型性能优于头部分缝翼型，翼型的分缝优化适宜在尾部进行，这样能够获得更好的升阻比。）数值仿真结果表明，运用分缝方法设计的叶轮有效抑制了马鞍区的形成，小流量下运行较稳定，同时保持了原叶轮的高效性，比原叶轮更适合小流量工况下的使用，进而达到了优化目的。参考文献：石丽建轴流泵水力模型优化设计方法及关键技术研究扬州：扬州大学，徐建中吴仲华先生与叶轮机械三元流动理论推进技术，（）：张仁田，朱峰，刘雪芹，等变频调速灯泡贯流泵性能与控制方式排灌机械工程学报，（）：俞军锋，吴强，谢荣盛，等变角调节下轴流泵装置水力特性浙江水利水电学院学报，（）：，：，（）：王秋景，郑源，阚阚竖井贯流泵装置进出水流道优化分析水电能源科学，（）：魏雪松对转式潮流能水轮机叶片翼型优化与流场可视化研究杭州：浙江大学，张睿轴流泵失速和空化流动特性及其性能改善研究上海：上海大学，王维，王伟超，张乐福，等 端壁开缝改善轴流泵驼峰的机理 农业工程学报，（）：第期郭丽萍，等：基于分缝翼型设计的贯流泵水力特性研究