半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

第31卷第4期农业工程学报V ol.31 No.4

2015年2月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2015 91 半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性

贾晓奇1，聂小林2，涂必成2，崔宝玲3※

（1. 浙江大学动力机械及车辆工程研究所，杭州 310027； 2. 嘉利特荏原泵业有限公司，温州 325204；

3. 浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室，杭州 310018）

摘要：为研究不同工况下，叶顶间隙对半开式叶轮离心泵内部流场及外特性的影响，该文对某半开式叶轮离心泵内部三维湍流流场进行数值模拟。揭示了离心泵内不同工况下叶轮流道和叶顶间隙层内的流动规律，对比分析了4种不同流量工况下叶顶间隙泄漏涡的流动特性、叶顶间隙层总压与相对速度分布，以及流量的变化对离心泵外特性的影响。结果表明：在小流量（设计流量为1.5 m3/h）时，间隙层内充满了泄漏涡，随着流量的增加涡核逐渐减少；

大流量时涡核几乎消失，但此时流体速度激增，流动冲击损失变大在叶轮出口与间隙层附近存在着大面积回流，小流量时回流几乎占据了整个出口。通过模型泵外特性试验，验证了数值计算的准确性。该文为离心泵叶顶间隙设计及水力优化提供了参考。

关键词：离心泵；数值模拟；模型；半开式；离心叶轮；变工况；叶顶间隙

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.04.013

中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-04-0091-06

贾晓奇，聂小林，涂必成，等. 半开式离心泵变工况叶顶间隙的流动特性[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：91－96.

Jia Xiaoqi, Nie Xiaolin, Tu Bicheng, et al. Flow characteristics of blade tip clearance in semi-open centrifugal pump in variable condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 91－96.

(in Chinese with English abstract)

0 引 言

半开式叶轮离心泵工作时，为避免叶片与泵前盖板间发生摩擦、碰撞，须引入叶顶间隙[1-4]；叶轮流道内部分流体在叶片两侧压差作用下，进入叶顶间隙层形成间隙流。间隙流的形成与发展受主流、二次流动以及固壁面边界层等影响，是复杂的三维湍流流动[5-8]，对泵的内部流动、载荷能力以及能量传输等有重要影响。

国内外有关叶顶间隙对离心叶轮性能及内部流动的影响有较多研究成果[9-11]。贾希诚等[2]在叶顶间隙对气动性能影响的研究中，发现具有适当小间隙的叶栅可以获得比无间隙叶栅更高的效率；同时，在相同切向泄露面积下，沿流向渐扩型间隙的叶栅具有更高的效率。廖伟丽等[12]在轴流式水轮机的轮缘间隙流动的研究中发现泄漏涡核的位置发生了2次转移，泄漏流动与主流相互作用形成的泄漏涡带是汽蚀破坏的主要原因。Tamm等[13]通过经验公式以及相似原理对某低比转速离心泵进行了间隙损失和圆盘摩擦损失的计算，并通过试验进行了验

收稿日期：2014-09-17 修订日期：2015-01-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275461）；国家自然科学基金资助项目（51276172）；浙江省科技计划项目（2013C01141）

作者简介：贾晓奇，男，博士生，主要从事流体机械流固耦合、转子动态特性研究。杭州浙江大学动力机械及车辆工程研究所，310027。

Email：jiaxiaoqi01@

※通信作者：崔宝玲，女，教授，主要从事流体机械内部特性、优化设计及汽蚀特性等研究。杭州浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室，310018。Email：blcui@ 证。朱祖超等[14]对开式叶轮高速离心泵的试验中发现，间隙值的增大将使泵内间隙泄漏量增加，同时泵内始终作循环运动的流体流量也增加，导致泵内水力损失增加，但间隙增大对泵汽蚀性能影响不显著。张剑慈等[15]对开式直叶高速离心泵叶轮内部流场进行数值模拟，观察到叶片进口存在液流冲击、流动不均及二次流等不稳定现象，同时发现叶轮与泵盖之间轴向间的隙增加使泵扬程、效率下降。梁开洪等[16]的研究捕捉到了叶顶间隙泄漏流动及泄漏涡，发现泄漏流产生的主要原因是叶片两侧产生的压差；同时还发现，当间隙值变大时，泄漏流动及泄漏涡的强度更加显著。

综上所述，国内外对于叶顶间隙的研究，主要集中在汽轮机、压缩机等方面，而针对半开式叶轮离心泵叶顶间隙的研究相对较少，尤其缺少对离心泵叶顶间隙流动的深入研究。本文采用数值计算与试验方法，以期揭示半开式离心泵叶顶间隙流动细节及演变过程，同时对叶顶间隙泄漏量进行定量计算。

1 计算模型与数值方法

1.1 计算模型

本文模型泵为低比转速半开式叶轮离心泵，比转速为16.25，设计流量Q为1.5 m3/h，扬程为12.5 m，转速为1 450 r/min。模型泵叶轮有8个后弯式叶片，叶片型线为二维。为了取得更好的汽蚀性能，叶轮前置等螺距诱导轮。模型泵主要几何参数如表1所示。图1a为叶顶间隙示意图，泵体和叶片顶部的间隙为1.0 mm。图1b为模型泵三维整机造型。

农业工程学报 2015年

92

表1 模型泵主要几何参数

Table 1 Main geometrical and design parameters

参数名称 Parameters 大小 Value

参数名称 Parameters 大小Value 诱导轮导程 Inducer lead/mm 33.25 诱导轮叶片数

Inducer blade number

2

诱导轮进口直径

Diameter of Inducer inlet/mm

39.5 叶片进口宽度

Width of blade inlet /mm

15

叶片轴向长度

Axial length of blade/mm

43.2 叶片出口宽度

Width of blade outlet /mm

5

叶片数Blade number 8 叶轮进口直径

Diameter of impeller inlet /mm

45

蜗壳轴向宽度

Axial width of volute/mm

8 叶轮出口直径

Diameter of impeller outlet /mm

188

1. 叶顶间隙

2. 后盖板

3. 前盖板

4. 叶轮

1. Tip clearance

2. Back casing

3. Front casing

4. Impeller

a. 叶顶间隙示意图

a. Meridional profile of unshrouded centrifugal pump with tip clearance

b. 模型泵三维造型 b. Prototype of centrifugal pump

c. 过流部件网格划分

c. Computational grids for geometrical

models

图1 模型泵三维造型及网格划分

Fig.1 Prototype and computational grids of centrifugal pump

1.2 数值计算方法

模型泵计算域的边界条件主要为入口边界、出口边界和壁面边界等。其中，入口采用速度入口条件；出口采用自由出流；固壁处采用无滑移、绝热边界，近壁区采用标准壁面函数以处理高雷诺数湍流模型带来的问题。计算控制方程为Navier-Stokes 方程，采用标准k-ε湍流模型封闭Reynolds 时均方程[12]，使用有限体积法对控制方程进行离散，采用Simple 算法实现速度压力耦合求解，对流项采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式。本文采用CFD 软件Fluent 对模型泵数值计算。

图1c 为过流部件三维造型及网格图，其中计算域由吸水室、诱导轮区域、叶轮区域、蜗壳以及叶顶间隙区域组成。考虑到计算区域的复杂性，应用分块网格技术获得高质量网格。其中泵进出口管路、叶顶间隙层区域采用形状规则的六面体结构化网格，诱导轮、离心叶轮及蜗壳流道等区域采用不规则的四面体混合网格。由于本文重点探索叶顶间隙区域内的流动特征，因此网格划

分时重点对叶顶间隙层进行网格加密。本文对模型泵进行了网格无关性验证，并且网格等角斜率和等尺寸斜率

均不超过0.8，所有近壁面Y+控制在15～30范围内，网格质量良好，综合考虑计算效率及计算准确性，本文选取的网格数如表2所示。

表2 整机流场的网格单元数

Table 2 Grid numbers of main overflow parts

间隙值 Tip clearance value/mm 进口段Inlet 诱导轮Inducer 叶轮 Impeller 间隙层

Tip

clearance 蜗壳 Volute 出口段Outlet 总网格

Total

1.0 64 158173 487401 952 512 177 285 879 43 287 1 416 782

2 结果分析

为方便后续分析，做如图2标记，其中蜗壳喉部位置为起始位置，圆周角逆时针方向逐渐增大，截面x =0如图所示，坐标原点为叶轮中心，泵进口方向为z 轴正向，蜗壳出口方向为x 轴反向。

注：A ：x =0截面 B ：泵出口 C ：泵进口

Note ：A: Section of x =0 B: Pump outlet C: Pump inlet

图2 叶轮流道编号及x =0截面位置示意图 Fig.2 Sketch map of impeller passages and x =0 section

2.1 内部流动分析

对叶顶间隙值为1.0 mm 的计算模型整机流场进行三维定常流动计算，并选取了4个不同流量点对模型泵内部流场进行流动分析，揭示不同工况下（0.2Q 、0.6Q 、1.0Q

和1.4Q ，其中设计流量点Q 为1.5 m 3

/h ）模型泵内部的流动特性。

图3和图4为不同流量时模型泵叶根、叶顶间隙底层的总压分布图。从图3a 和图4a 可知，沿着叶轮进口到出口方向总压逐渐增大，叶轮进口附近总压波动相对较小且压力值较小，尤其是在叶片吸力面靠近叶轮进口附近区域总压达到最小值。由于在叶轮进口处压力值最小，当泵内压力进一步降低时，此处的流体压力会最先降低到汽蚀临界压力。此时该区域部分流体的压力会较其他区域更快下降到汽蚀临界压力以下，进而首先发生汽蚀现象，因此在叶轮进口处总压最低区域容易发生汽蚀现象。而在叶轮出口附近总压波动较大，有局部高压区，且在叶轮出口靠近蜗壳附近处达到最大值；在叶轮流道的同一半径处叶轮压力面处的总压值整体高于吸力面；流量为0.2Q 时，流道内总压较流量为0.6Q 时的低，产生这个现象的原因可能是在低比转速离心泵内，小流量工况时，泵进口及叶轮流道内的流动复杂，存在着进口回流，叶轮流道及出口处存在着射流-尾流、二次流以及脱