叶轮导叶匹配关系对混流泵压力脉动及结构特性的影响

叶轮导叶匹配关系对混流泵压力脉动及结构特性的影响

混流泵是一种介于离心泵与轴流泵之间的一种泵型,它具备扬程变化范围大、高效区宽等优点,具有非常广阔的应用前景。空间导叶式混流泵在运行时,由于流道内流体的不稳定流动以及高速旋转的叶轮与静止导叶之间存在动静干涉作用

会导致流场内出现压力脉动现象,这种现象的存在不仅使得内流场变得更加紊乱,甚至会影响混流泵机组的稳定运行。

而从导叶式混流泵设计角度而言,当叶轮或导叶的某个几何参数改变时,它

们之间的匹配关系随之发生改变,最终会导致空间导叶式混流泵的内外特性发生改变。本课题立足于西华大学省部级学科平台开放课题项目“导叶式混流泵变工况内流分析及鲁棒优化设计研究”,以上海某泵企设计研发的比转速

n_s为520的空间导叶式混流泵为研究对象,在进行了网格无关性检

验与湍流模型的对比研究基础上开展了以下研究工作:1.基于不同的叶轮导叶之间匹配关系（叶轮导叶之间轴向间隙、导叶叶片数、导叶扫掠角）对混流泵进行三维建模,研究了叶轮导叶匹配关系对混流泵外特性和内流场的影响。

研究表明:设计工况下,当叶轮导叶之间轴向间隙为0.46b₂时,

混流泵的扬程效率最佳,叶轮导叶之间动静干涉作用最弱;导叶数的增加使得混

流泵的扬程效率先增大后减小,当导叶数为9时,导叶内涡体的面积最小,导叶区域的流动最为稳定;导叶前掠时的扬程效率比后掠时的要高,且当导叶扫掠角为

+10°时其内部区域湍流剧烈程度最低。2.针对不同的混流泵叶轮导叶匹配组合,分别在叶轮进口处、叶轮导叶之间、导叶流道中部和导叶出口处各设置三个沿径向分布的监测点,并通过非定常计算获取各监测点处压力数据,然后结合叶轮导

叶之间动静干涉效应及涡结构变化对泵内压力脉动分析后发现:泵内的压力脉动

整体呈现出一种周期性变化的趋势,且这种变化与叶轮导叶轴向间隙、导叶叶片数及导叶扫掠角有关。

泵内压力脉动主频为叶轮的转频与叶片通过频率,泵内最大压力脉动幅度发生在叶轮进口处,不同叶轮导叶匹配关系对叶轮导叶间的动静干涉效应与涡结构有着不同的影响。3.基于流固耦合作用,对不同叶轮导叶匹配关系下的混流泵叶轮导叶结构部件进行静力学分析。

研究了不同叶轮导叶匹配组合下叶轮导叶上的应力及变形分布情况,获取最大应力值及最大变形出现的位置,并对叶轮导叶结构强度进行校核。分析发现:设计工况下,混流泵叶轮上应力分布均匀且呈中心对称趋势,叶轮最大应力出现在叶片压力面靠近轮毂位置处,最大变形位置出现在导叶进口边靠近轮毂处。

对于不同叶轮导叶匹配关系,混流泵叶轮上的应力分布未出现显著改变,导叶上的应力变化会随着叶轮导叶间轴向间隙的增大而先增大后减小,最终保持稳定;导叶数的增加会使得叶轮导叶上的最大等效应力先增大后较小;随着导叶扫掠角的增大,导叶上应力大小分布变化显著,且当导叶扫掠角后掠时,导叶上的应力集中现象加剧。在对叶轮导叶结构强度进行检验时发现,不同叶轮导叶匹配组合中,最小安全系数为4.51,高于此时结构的需用安全系数3.6,因此结构强度均满足设计要求。