叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
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plans. The SST k-ω model is selected to predict turbulence, the model pump is numerically simulated
based on ANSYS-CFX. Besides, the calculation results are processed through CFD-Post, and the four
以水泵扬程为关键物理量对三套网格进行无关性检
验。 精细网格的 GCI 值为 0. 013% , 粗糙网格的 GCI
值为 0. 0012% , 均小于 5% , 满足收敛要求。 离心泵
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大 电 机 技 术
的整体三维造型如图 3 所示, 基于该三维造型, 综合
parameter changes of the centrifugal pump head, efficiency, axial force, and shaft power under
different tip clearances and the flow in the clearance under the different tip clearance plans are
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1. 2 三维造型及网格无关性检查
对于本文对所研究的离心泵, 采用 NX12. 0 商业
软件进行三维造型, ICEM 商业软件对其进行网格划
分, ANSYS CFX 进行计算流体力学模拟计算。 对模
型泵的数值模拟计算, 其进口设定压力边界, 出口为
Semi-Open Impeller Centrifugal Pump
ZHANG Fangfang1,2 , TAO Ran1,2 , XIAO Ruofu1,2
(1. China Agricultural University, Beijing 100083, China;
2. Beijing Engineering Research Center of Safety and Energy Saving Technology for Water Supply
其中, 进水管及叶轮采用六面体结构网格划分,
蜗壳采用四面体非结构网格划分。 为保证 CFD 计算
的准确性, 基于理查德森外推法 ( GCI) [18] 进行网格
无关性分析, 其详细信息如图 2 所示。 三套完整网格
对应 各 部 件 的 网 格 数 见 表 2, 网 格 细 化 因 子 r21 为
1. 32, r32 为 1. 33, 在 设 计 工 况 下, 即 流 量 为 Q d 时,
表 1 半开式叶轮几何参数及性能参数
参数
单位
叶片数 Z
叶轮外径 D
叶片高度
叶片厚度
叶片进口安放角 β1
叶片出口安放角 β2
内半径 R1
外半径 R2
比转速 n s
4
mm
120
mm
3. 5
mm
8
°
22. 5
mm
41. 5
°
mm
额定转速 n d
r / min
设计扬程 H d
m
设计流量 Q d
数值
kg / s
的主要研究参数。
这台离心泵的过流部件主要有进水管、 叶轮、 蜗
壳和出水管。 其设计转速、 设计流量、 设计扬程等性
能参 数 见 表 1, 其 中, 比 转 速 ( n s ) 的 计 算 公 式 如
式(1) 所示:
3. 65n Q
(1)
H3 / 4
式中,n 为转速,min / r;H 为扬程 m;Q 为流量 kg / s。
性性能的影响对提升离心泵整体性能具有重要意义。
国内外学者针对叶顶间隙对各类叶轮机械性能的
影响做了一定的研究 [5-6] 。 魏艺璇等 [7] 通过改变叶轮
直径, 研究叶顶间隙大小对轴流泵性能的影响。 黎耀
军等 [8] 采用大涡模拟的方法分析研究了不同间隙下间
隙内的流场结构。 程效锐等 [9] 毋杰等 [10] 通过分析
comprehensively.
Key words:centrifugal pump; semi-open impeller; numerical simulation; tip clearance
0 前言
航空 航 天、 石 油 化 工、 医 疗 制 药、 市 政 建 设 等 领
半开式叶轮离心泵因其没有前盖板的特殊结构形
ns =
图 1 半开式叶轮结构示意图
流量边界; 壁面均采用无滑移避免设置, 设置最大迭
代步数为 500, 动量方程和连续性方程的收敛准则为
10 -5 。 由于 SST k-ω 湍流模型的计算精度及可行性高,
本文选 用 SST k-ω 模 型 作 为 全 流 道 的 湍 流 预 测 模
型 [17] 。
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水轮机及水泵
叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
张方芳1,2 , 陶 然1,2 , 肖若富1,2
(1. 中国农业大学, 北京 100083;
2. 北京市供水管网系统安全节能技术工程研究中心, 北京 100083)
式, 具有无堵塞性好, 更换清洁方便等特点, 常用于
基金项目: 国家自然科学基金 (52079142)
域 [1-3] 。 在实际应用的过程中, 为避免叶轮叶片与泵
壳之间的摩擦导致叶片受损, 在叶片顶部与泵壳之间
设置叶顶间隙, 以此来减少间隙泄漏流与叶轮内主流
的相互影响, 保证水泵运行的稳定性及能量性能 [4] 。
with published experimental data as the research object, and selects the tip clearance δ as 0. 4mm,
0. 6mm, 0. 8mm, 1. 0mm, 1. 2mm, 1. 4mm, 1. 6mm, 1. 8mm and 2. 0mm as the nine research
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叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
基于叶顶间隙对离心泵能量性能具有一定的影响, 结
合在离心泵的研究与应用过程中, 对于离心泵的外特
性中扬程参数及效率参数尤为关注, 因此, 结合数值
计算和外特性试验, 开展关于离心泵叶顶间隙对外特
obtained. Combining with the curve slope, the first-order derivative value and internal flow field,
further analysis are made later. Finally, the change law of each parameter under different tip
叶顶间隙形态对冷气压缩机气动性能的影响。
综上所述, 国内外对于叶顶间隙方面的研究主要
针对轴流泵、 混流泵、 斜流泵, 探究半开式叶轮离心
泵间隙对性能影响规律的研究较少。 本文将针对半开
式叶轮离心泵不同叶顶间隙对离心泵外特性的研究,
并结合间隙内流场分析, 总结不同叶顶间隙下间隙内
部流动现象与规律。
1 数值计算及试验验证
将试验数据与数值模拟结果作比较, 可以看出随
着流量增大, 总效率 η 与扬程 H 变化趋势一致, 且
模拟值与试验值误差均在 5% 以内, 这说明基于本文
的几何模型及网格方案, 数值模拟的结果是可靠的。
2 计算结果与分析
2. 1 方案设计
为研究半开式叶轮叶顶间隙大小对离心泵扬程及
通过 CFD-Post 对计算结果进行处理, 得到不同叶顶间隙下离心泵扬程、 效率、 轴向力、 轴功率四个参数变
化情况以及不同叶顶间隙方案下间隙内流动情况, 结合其曲线斜率、 一阶导数值、 内部流场情况进行深入分
析, 得出不同叶顶间隙下各参数的变化规律, 为综合考虑各参数增长速度以及水泵应用的要求而设计半开式
值, 通过 CFD 计 算 得 到 各 个 流 量 下 的 扬 程 及 效 率,
得到数值模拟的能量性能曲线。 如图 5 所示。
图 3 半开式叶轮离心泵整体三维造型
图 5 试验与数值模拟性能曲线对比
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叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
clearances is obtained, which provides a certain reference to the design of semi-open centrifugal pump
when the growth rate of each parameter and the pump application need to be considered
通过分析不同叶顶间隙下斜流泵的内部流场, 解释了
叶顶间隙对斜流泵内部流场及性能的影响机理。 李正
贵等 [14] 对贯流式水轮机偏工况下叶顶间隙内部流动
特征进行了相关研究。 刘玉文等 [15] 通过空化观测实
验以及流场测量实验, 研究了叶顶间隙流动中的旋涡
结构特性及其影响因素作用机理。 刘芳等 [16] 研究了
考虑网格收敛指数以及计算资源, 选取第二套网格作
为最终网格进行本文的研究, 其各部分网格方案如
图 4所示。
图 2 半开式叶轮结构示意图
表 2 各网格方案对应各部件的网格数
网格方案
进水管
叶轮
蜗壳及出水管
总计
N1
26022
490089
44075
560186
N2
59850
1127191
101372
1288413
离心泵叶轮叶顶间隙值提供了一定的参考。
[ 关键词] 离心泵; 半开式叶轮; 数值模拟; 叶顶间隙
[ 中图分类号] TH311 [ 文献标志码] A [ 文章编号] 1000-3983(2023)03-0043-08
Study on the Influence of Tip Clearance on the Performance of
N3
145806
2701871
183491
3031168
图 4 全局网格最终方案
1. 3 试验结果与数值计算性能对比
基于 Y. D. Choi [19] 等人对此离心泵外特性的试验
数据, 其 效 率 最 优 点 对 应 的 流 量 为 设 计 流 量, 即
1. 0Q d , 将 0. 1Q d ~ 1. 3Q d 的 值 作 为 数 值 模 拟 的 流 量
1. 1 几何模型
本文的 研 究 对 象 是 如 图 1 的 半 开 式 叶 轮 离 心
[12]
泵 , 其几何参数见表 1, 其中, 叶片为传统的后掠
叶片形式, R1 和 R2 分别表示后掠叶片的内半径和外
半径。 前盖板与叶片之间的间隙为均匀等值间隙, 即
叶顶间隙( δ) 为 1mm, 即 δ0 = 1mm。 该参数即为本文
不同叶顶间隙下二次泄漏涡的形态, 分析了叶顶间隙
泄漏量对离心泵流动结构的影响。 张文武等 [11] 选取
不同叶顶间隙值, 分析了叶顶间隙对超低比转速混流
泵性能及内部流场的影响。 张华等 [12] 通过分析不同
叶顶间隙下单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,
为螺旋离心泵的减振降噪提供了参考。 黎义斌等 [13]
Network, Beijing 100083, China)
Abstract: In order to explore the influence of the change of tip clearance on the external
characteristics of the semi-open impeller centrifugal pump, this paper takes a semi-open model pump
[摘 要] 为探究叶顶间隙的改变对半开式叶轮离心泵外特性的影响, 本文以一公开实验数据的半开式模
型泵为研 究 对 象, 选 取 叶 顶 间 隙 δ 分 别 为 0. 4mm、 0. 6mm、 0. 8mm、 1. 0mm、 1. 2mm、 1. 4mm、 1. 6mm、
1. 8mm 和 2. 0mm 九种方案, 选取 SST k-ω 模型预测湍流, 基于 ANSYS-CFX 对模型泵进行全流道数值模拟。
based on ANSYS-CFX. Besides, the calculation results are processed through CFD-Post, and the four
以水泵扬程为关键物理量对三套网格进行无关性检
验。 精细网格的 GCI 值为 0. 013% , 粗糙网格的 GCI
值为 0. 0012% , 均小于 5% , 满足收敛要求。 离心泵
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的整体三维造型如图 3 所示, 基于该三维造型, 综合
parameter changes of the centrifugal pump head, efficiency, axial force, and shaft power under
different tip clearances and the flow in the clearance under the different tip clearance plans are
30
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60. 28
700
0. 4745
0. 899
1. 2 三维造型及网格无关性检查
对于本文对所研究的离心泵, 采用 NX12. 0 商业
软件进行三维造型, ICEM 商业软件对其进行网格划
分, ANSYS CFX 进行计算流体力学模拟计算。 对模
型泵的数值模拟计算, 其进口设定压力边界, 出口为
Semi-Open Impeller Centrifugal Pump
ZHANG Fangfang1,2 , TAO Ran1,2 , XIAO Ruofu1,2
(1. China Agricultural University, Beijing 100083, China;
2. Beijing Engineering Research Center of Safety and Energy Saving Technology for Water Supply
其中, 进水管及叶轮采用六面体结构网格划分,
蜗壳采用四面体非结构网格划分。 为保证 CFD 计算
的准确性, 基于理查德森外推法 ( GCI) [18] 进行网格
无关性分析, 其详细信息如图 2 所示。 三套完整网格
对应 各 部 件 的 网 格 数 见 表 2, 网 格 细 化 因 子 r21 为
1. 32, r32 为 1. 33, 在 设 计 工 况 下, 即 流 量 为 Q d 时,
表 1 半开式叶轮几何参数及性能参数
参数
单位
叶片数 Z
叶轮外径 D
叶片高度
叶片厚度
叶片进口安放角 β1
叶片出口安放角 β2
内半径 R1
外半径 R2
比转速 n s
4
mm
120
mm
3. 5
mm
8
°
22. 5
mm
41. 5
°
mm
额定转速 n d
r / min
设计扬程 H d
m
设计流量 Q d
数值
kg / s
的主要研究参数。
这台离心泵的过流部件主要有进水管、 叶轮、 蜗
壳和出水管。 其设计转速、 设计流量、 设计扬程等性
能参 数 见 表 1, 其 中, 比 转 速 ( n s ) 的 计 算 公 式 如
式(1) 所示:
3. 65n Q
(1)
H3 / 4
式中,n 为转速,min / r;H 为扬程 m;Q 为流量 kg / s。
性性能的影响对提升离心泵整体性能具有重要意义。
国内外学者针对叶顶间隙对各类叶轮机械性能的
影响做了一定的研究 [5-6] 。 魏艺璇等 [7] 通过改变叶轮
直径, 研究叶顶间隙大小对轴流泵性能的影响。 黎耀
军等 [8] 采用大涡模拟的方法分析研究了不同间隙下间
隙内的流场结构。 程效锐等 [9] 毋杰等 [10] 通过分析
comprehensively.
Key words:centrifugal pump; semi-open impeller; numerical simulation; tip clearance
0 前言
航空 航 天、 石 油 化 工、 医 疗 制 药、 市 政 建 设 等 领
半开式叶轮离心泵因其没有前盖板的特殊结构形
ns =
图 1 半开式叶轮结构示意图
流量边界; 壁面均采用无滑移避免设置, 设置最大迭
代步数为 500, 动量方程和连续性方程的收敛准则为
10 -5 。 由于 SST k-ω 湍流模型的计算精度及可行性高,
本文选 用 SST k-ω 模 型 作 为 全 流 道 的 湍 流 预 测 模
型 [17] 。
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水轮机及水泵
叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
张方芳1,2 , 陶 然1,2 , 肖若富1,2
(1. 中国农业大学, 北京 100083;
2. 北京市供水管网系统安全节能技术工程研究中心, 北京 100083)
式, 具有无堵塞性好, 更换清洁方便等特点, 常用于
基金项目: 国家自然科学基金 (52079142)
域 [1-3] 。 在实际应用的过程中, 为避免叶轮叶片与泵
壳之间的摩擦导致叶片受损, 在叶片顶部与泵壳之间
设置叶顶间隙, 以此来减少间隙泄漏流与叶轮内主流
的相互影响, 保证水泵运行的稳定性及能量性能 [4] 。
with published experimental data as the research object, and selects the tip clearance δ as 0. 4mm,
0. 6mm, 0. 8mm, 1. 0mm, 1. 2mm, 1. 4mm, 1. 6mm, 1. 8mm and 2. 0mm as the nine research
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叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
基于叶顶间隙对离心泵能量性能具有一定的影响, 结
合在离心泵的研究与应用过程中, 对于离心泵的外特
性中扬程参数及效率参数尤为关注, 因此, 结合数值
计算和外特性试验, 开展关于离心泵叶顶间隙对外特
obtained. Combining with the curve slope, the first-order derivative value and internal flow field,
further analysis are made later. Finally, the change law of each parameter under different tip
叶顶间隙形态对冷气压缩机气动性能的影响。
综上所述, 国内外对于叶顶间隙方面的研究主要
针对轴流泵、 混流泵、 斜流泵, 探究半开式叶轮离心
泵间隙对性能影响规律的研究较少。 本文将针对半开
式叶轮离心泵不同叶顶间隙对离心泵外特性的研究,
并结合间隙内流场分析, 总结不同叶顶间隙下间隙内
部流动现象与规律。
1 数值计算及试验验证
将试验数据与数值模拟结果作比较, 可以看出随
着流量增大, 总效率 η 与扬程 H 变化趋势一致, 且
模拟值与试验值误差均在 5% 以内, 这说明基于本文
的几何模型及网格方案, 数值模拟的结果是可靠的。
2 计算结果与分析
2. 1 方案设计
为研究半开式叶轮叶顶间隙大小对离心泵扬程及
通过 CFD-Post 对计算结果进行处理, 得到不同叶顶间隙下离心泵扬程、 效率、 轴向力、 轴功率四个参数变
化情况以及不同叶顶间隙方案下间隙内流动情况, 结合其曲线斜率、 一阶导数值、 内部流场情况进行深入分
析, 得出不同叶顶间隙下各参数的变化规律, 为综合考虑各参数增长速度以及水泵应用的要求而设计半开式
值, 通过 CFD 计 算 得 到 各 个 流 量 下 的 扬 程 及 效 率,
得到数值模拟的能量性能曲线。 如图 5 所示。
图 3 半开式叶轮离心泵整体三维造型
图 5 试验与数值模拟性能曲线对比
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叶顶间隙对半开式叶轮离心泵的性能影响研究
clearances is obtained, which provides a certain reference to the design of semi-open centrifugal pump
when the growth rate of each parameter and the pump application need to be considered
通过分析不同叶顶间隙下斜流泵的内部流场, 解释了
叶顶间隙对斜流泵内部流场及性能的影响机理。 李正
贵等 [14] 对贯流式水轮机偏工况下叶顶间隙内部流动
特征进行了相关研究。 刘玉文等 [15] 通过空化观测实
验以及流场测量实验, 研究了叶顶间隙流动中的旋涡
结构特性及其影响因素作用机理。 刘芳等 [16] 研究了
考虑网格收敛指数以及计算资源, 选取第二套网格作
为最终网格进行本文的研究, 其各部分网格方案如
图 4所示。
图 2 半开式叶轮结构示意图
表 2 各网格方案对应各部件的网格数
网格方案
进水管
叶轮
蜗壳及出水管
总计
N1
26022
490089
44075
560186
N2
59850
1127191
101372
1288413
离心泵叶轮叶顶间隙值提供了一定的参考。
[ 关键词] 离心泵; 半开式叶轮; 数值模拟; 叶顶间隙
[ 中图分类号] TH311 [ 文献标志码] A [ 文章编号] 1000-3983(2023)03-0043-08
Study on the Influence of Tip Clearance on the Performance of
N3
145806
2701871
183491
3031168
图 4 全局网格最终方案
1. 3 试验结果与数值计算性能对比
基于 Y. D. Choi [19] 等人对此离心泵外特性的试验
数据, 其 效 率 最 优 点 对 应 的 流 量 为 设 计 流 量, 即
1. 0Q d , 将 0. 1Q d ~ 1. 3Q d 的 值 作 为 数 值 模 拟 的 流 量
1. 1 几何模型
本文的 研 究 对 象 是 如 图 1 的 半 开 式 叶 轮 离 心
[12]
泵 , 其几何参数见表 1, 其中, 叶片为传统的后掠
叶片形式, R1 和 R2 分别表示后掠叶片的内半径和外
半径。 前盖板与叶片之间的间隙为均匀等值间隙, 即
叶顶间隙( δ) 为 1mm, 即 δ0 = 1mm。 该参数即为本文
不同叶顶间隙下二次泄漏涡的形态, 分析了叶顶间隙
泄漏量对离心泵流动结构的影响。 张文武等 [11] 选取
不同叶顶间隙值, 分析了叶顶间隙对超低比转速混流
泵性能及内部流场的影响。 张华等 [12] 通过分析不同
叶顶间隙下单叶片螺旋离心泵内部压力脉动的规律,
为螺旋离心泵的减振降噪提供了参考。 黎义斌等 [13]
Network, Beijing 100083, China)
Abstract: In order to explore the influence of the change of tip clearance on the external
characteristics of the semi-open impeller centrifugal pump, this paper takes a semi-open model pump
[摘 要] 为探究叶顶间隙的改变对半开式叶轮离心泵外特性的影响, 本文以一公开实验数据的半开式模
型泵为研 究 对 象, 选 取 叶 顶 间 隙 δ 分 别 为 0. 4mm、 0. 6mm、 0. 8mm、 1. 0mm、 1. 2mm、 1. 4mm、 1. 6mm、
1. 8mm 和 2. 0mm 九种方案, 选取 SST k-ω 模型预测湍流, 基于 ANSYS-CFX 对模型泵进行全流道数值模拟。