叶片包角对恒扬程泵性能的影响_程效锐.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 6 1-0 8叶片包角对恒扬程泵性能的影响程效锐1,2,田 龙*1,李天鹏3,杨登峰4(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;2.兰州理工大学 甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;3.武汉航达航空科技发展有限公司,湖北 武汉 4 3 0 0 1 0;4.上海大学 力学与工程科学学院,上海 2 0 0 0 7 2)摘要:为了研究叶片包角对恒扬程泵性能的影响规律,设计了6种不同包角叶片的叶轮,基于雷诺时均N-S方程、R N Gk-湍流模型进行了定常数值计算,并对计算结果进行了实验验证.结果表明,在切断流量之前泵的扬程随包角的增大而减小,0 包角时泵的扬程最大,1 5、3 0、4 5 包角时泵的扬程基本相等,6 0 包角时泵的扬程最小,7 5 包角时泵的扬程随流量的增大线性减小.叶片包角对泵的效率具有较大影响,泵的效率在任一包角随着流量的增大先增大后减小.在切断流量附近,效率达到最大值;切断流量之前,效率随包角的增大而增大;切断流量之后,包角越大,效率随流量增大而减小得越快.关键词:恒扬程;包角;压水室;切断流量;数值计算中图分类号:TH 3 1 3 文献标志码:AI n f l u e n c eo fb l a d ew r a pa n g l eo np e r f o r m a n c eo f c o n s t a n th e a dp u m pCHE N GX i a o-r u i1,2,T I ANL o n g1,L IT i a n-p e n g3,YAN GD e n g-f e n g4(1.S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fF l u i dM a c h i n e r ya n dS y s t e mo fG a n s uP r o v i n c e,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;3.W u h a nH a n g d aA v i a t i o nT e c h n o l o g yD e v e l o p m e n tC o.L t d.,W u h a n 4 3 0 0 1 0,C h i n a;4.C o l l e g eo fM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n gS c i e n c e,S h a n g h a iU n i v.,S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h e i n f l u e n c eo fb l a d ew r a pa n g l eo nt h ep e r f o r m a n c eo f c o n s t a n th e a dp u m p,s i x i m p e l l e rs c h e m e sw i t hd i f f e r e n tb l a d ew r a pa n g l eh a db e e nd e s i g n e d.B a s e do nt h eR e y n o l d s t i m e-a v e r-a g eN-Se q u a t i o na n dt h eR NGk-t u r b u l e n c em o d e l,t h es t e a d yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a db e e nc a r r i e do u t,f o l l o w i n gt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s.T h er e s u l t ss h o wt h a tb e f o r et h ec u t-o f ff l o w,p u m ph e a dd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ew r a pa n g l e.Wh e n t h ew r a pa n g l eo f p u m p i s 0d e g r e e,t h ep u m ph e a d i s t h e l a r g e s t.U n d e rt h es c h e m e so f1 5d e g r e e s,3 0d e g r e e s,a n d4 5d e g r e e s,t h eh e a do ft h ep u m p i sa l m o s t e q u a l.Wh e nt h ew r a pa n g l eo fp u m pi s6 0d e g r e e s,p u m ph a s t h es m a l l e s th e a d,a n dt h ep u m ph e a dd e c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h e i n c r e a s eo f f l o ww h e nt h ew r a pa n g l e i s7 5d e g r e e s.T h eb l a d ew r a pa n g l eh a sas i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m p.T h ep u m pe f f i c i e n c yi na n ys c h e m ef i r s t i n c r e a s e sa n d t h e nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s eo f f l o w,w h i l e t h e e f f i c i e n c y r e a c h e s i t sm a x i m u mv a l u en e a r t h ec u t-o f f f l o w.U n d e r t h ec o n d i t i o nb e f o r et h ec u t-o f f f l o w,t h ep u m pe f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ew r a pa n g l e,w h i l ea f t e rt h ec u t-o f f f l o w,t h e l a r g e rt h ew r a pa n g l e i s,t h ef a s t e rt h ee f f i-c i e n c yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h e f l o w.K e yw o r d s:c o n s t a n th e a d;w r a pa n g l e;p u m p i n gc h a m b e r;c u t-o f f f l o w;n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n 恒扬程泵属于高速泵,又名部分流泵、切线泵、巴斯克泵,是二战期间由巴斯克博士在德国研制的,其最大特点是流量-扬程曲线平坦1.国内、外学者 收稿日期:2 0 2 1-0 7-1 3 基金项目:国家自然科学基金(5 1 4 6 9 0 1 3)通讯作者:田 龙(1 9 9 3-),男,甘肃定西人,硕士.E m a i l:2 0 6 9 4 3 6 6 4 1q q.c o m对切线泵已进行了大量研究.孔德明等2通过将性能参数相同的2台切线泵设计成2种转速、比转速的实例,从实践和理论上分析了切线泵的转速、比转速对泵性能的影响,经过统计得出了2种转速下扬程系数和比转速的经验公式.刘在轮等3采用同一蜗壳配2种不同结构形式叶轮的研究方案,对高速部分流泵的内部流场进行了数值模拟和性能预测,第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3通过比较分析发现采用复合叶轮能有效降低曲线的陡降度,泵的流量-扬程曲线变得更加平坦,泵的效率明显提高.王洋等4采用正则化螺旋度对叶轮中间流面和蜗壳8个断面的涡旋流动进行了分析,同时分析了小流量工况、设计工况和大流量工况下叶片中间流线的载荷分布.杨军虎等5通过设计不同喉部直径的切线泵研究了喉部面积对切线泵性能的影响,并确定了流量系数和扬程系数的取值范围.S h a o等6研制了部分流液氢循环泵,结合R NGk-湍流模型进行了三维非定常流动数值模拟,研究了压力和速度对泵内部流动的影响.Z h a n g等7设计了9个不同叶比和不同前倾角的直径叶轮,通过数值模拟方法研究了部分流泵叶轮设计参数与性能之间的关系.于泳水等8通过对不同流量、相同扬程切线泵叶轮直径进行比较分析,归纳出不同比转数对应的扬程系数.为了获得部分流泵叶轮的切割定律,L i9以2个部分流泵在最佳效率点的实验数据为基础,建立了流量、扬程、效率、流量系数和扬程系数之间的关系,根据流体力学原理计算了2个泵的水力损失、泄漏流量和再循环流量.L i等1 0通过改变叶轮直径、喷嘴直径和增加孔板研究了部分流泵的驼峰特性随几何参数的变化规律,分析了扬程特性曲线驼峰特性的影响因素.杨从新等1 1通过部分流泵扬程与关键参数的表达式,基于泵扬程与效率之间关系的间接优化思想,以筛选出的部分流泵主要几何参数和动力参数为变量,结合遗传优化算法建立部分流泵的优化设计模型,借助MAT L A B软件对部分流泵进行优化,由部分流泵的基本方程推导出滑移条件下性能参数和几何参数的函数关系式,并对优化模型进行理论分析和数值验证,从而实现对此优化模型的进一步完善.S h u i等1 2采用数值模拟方法计算了有无诱导器的高速部分流泵性能参数,考虑了高速部分流泵内空气对工作性能的影响.龙慧斌等1 3研究了高速部分流泵进口结构参数、泵前吸水管路系统设计、泵过流部件制造材料对高速部分流泵汽蚀性能的影响,提出了一系列具体的汽蚀防护对策,如优化泵进口结构设计参数、合理布置泵吸水管路系统、提高泵制造材料抗汽蚀性能,该对策可为延长高速部分流泵使用寿命和增加运行效益提供借鉴.以上文献大都集中在对半开式叶轮直叶片恒扬程泵的研究,对单曲率后弯叶片恒扬程泵的研究较少,且单曲率后弯叶片恒扬程泵的效率远远高于直叶片恒扬程泵的.因此,本文以通过改变叶片包角所设计不同方案的叶轮来研究叶片包角对恒扬程泵性能的影响规律.1 计算模型恒扬程泵计算域由进口段、叶轮、压水室和出口段4部分组成,计算域如图1所示.叶轮和压水室主要几何参数如表1所列.图1 恒扬程泵计算域F i g.1 C a l c u l a t i o nd o m a i no f c o n s t a n th e