基于叶片翼型负荷的螺旋离心泵叶轮域能量转换机理-权辉.pdf

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1、 第 52 卷第 16 期 2016 年 8 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.16 Aug. 2016 DOI： 10.3901/JME.2016.16.169 基于叶片翼型负荷的螺旋离心泵叶轮域 能量转换机理*权 辉1, 2傅百恒1李仁年1, 2苏清苗3韩 伟1, 2李 瑾1(1. 兰州理工大学能源与动力工程学院 兰州 730050； 2. 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室 兰州 730050； 3. 兰州华宇航天技术应用有限责任公司 兰州 730000) 摘要： 为了研究螺旋离心泵叶轮做功原理以及

2、能量转换机理，应用计算流体力学原理对 100LN-7 型螺旋离心泵进行数值模拟，由此获得螺旋离心泵叶轮域速度参数，在引入动静扬程和负荷系数基础上，将欧拉方程用速度表示，建立试验方案。在叶片负荷翼型理论下， 应用欧拉方程将螺旋离心泵的能量转换与叶轮几何形状、 尺寸联系起来， 分析沿叶轮包角的能量变化，揭示螺旋离心泵叶轮域能量转换特性。结果表明叶轮作为泵内做功核心部件，其螺旋段螺旋推进作用提供了能量传递，离心段完成能量转换，叶轮的螺旋段螺旋推进作用和离心段的能量转换相互配合，构成了螺旋离心泵工作的过程。其中，叶片翼型负荷中的升力对叶片做功贡献最大，这一结论对于提高螺旋离心泵叶轮水力设计具有重要的意

3、义。 关键词 ： 螺旋离心泵；叶轮域；叶片翼型负荷；能量转换机理；数值分析 中图分类号 ： TH311 Energy Conversion Mechanism on Impeller Domain of the Screw Centrifugal Pump Based on Vane Airfoil Load QUAN Hui1, 2FU Baiheng1 LI Rennian1, 2SU Qingmiao3HAN Wei1, 2 LI Jin1(1. School of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technolog

4、y, Lanzhou 730050; 2. Key Laboratory of Fluid Machinery and System, Gansu Province, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050; 3. Lanzhou Huayu Space Technology Applications Ltd., Lanzhou 730000) Abstract： In order to study the work principle and the energy conversion mechanism of the impelle

5、r of screw centrifugal pump, the screw centrifugal pump of type 100 LN-7 is simulated by using the theory of computational fluid mechanics. Thus, the parameter of velocity on impeller domain of screw centrifugal pump is obtained. On the basis of introduction of the head movement and the load factor,

6、 experimental program is established through expressing Euler equation with velocity. With the theory of the airfoil blade loading, Euler equation is used to connect the energy conversion of screw centrifugal pump with the geometric shapes and the size of impeller. The energy change along the angle

7、of impeller is analyzed to reveal the energy conversion characteristics on impeller domain of screw centrifugal pump. The results show that the energy transfer is provided by the propulsion function of screw segment while the energy conversion is accomplished by centrifugal section. The two parts co

8、operate with each other and make up the working process of screw centrifugal pump. In particular, the lift of blade airfoil loading leaves the largest contribution to the work, which has the vital significance for improving the hydraulic design of the impeller of screw centrifugal pump. Key words： s

9、crew centrifugal pump； impeller domain； vane airfoil load； energy conversion mechanism； numerical analysis 0 前言*螺旋离心泵作为一种具有特殊结构的新型杂质泵，它将螺旋泵与离心泵二者的优势融合为一体 国家自然科学基金资助项目 (5157091073, 51269011)。 20151021 收到初稿， 20160505 收到修改稿 (螺旋离心泵叶轮照片见图 1)， 其独特的结构可将两者的优势充分发挥。相比其他杂质泵，螺旋离心泵具有良好的无堵塞性、吸入性能、调节性能和抗汽蚀性能，并具有无过

10、载、效率高及高效区宽等优 点1-2。 由于螺旋离心泵的结构特殊、内部流动复杂，因而有关此方面研究工作的文献资料较少，直到 20万方数据 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 16 期 期 170 世纪 80 年代国内外才出现少量公开发表的研究成果 。 在定性研究方面，田中等采用透明的有机玻璃蜗壳，对螺旋离心泵的叶轮轮毂附近的流动状态进行了观察，结果发现在叶轮轮毂处存在大量的回 流3。我国郭乃龙等4也采用表面油流法对其内部流动进行了定性观察和定量分析并提出了改进螺旋离心泵结构的设想；赵敬亭等5做了离心泵中固体颗粒运动的试验，发现从叶片进口的不同部位进入流道的颗粒对叶轮的磨损不同，颗粒的密度和大

11、小对叶轮的磨损也有影响；李仁年等6应用数值模拟及 PIV 测试技术对螺旋离心泵内部进行了全三维的仿真测试，对于螺旋离心泵流道内部的压力场、速度场等进行了系统的研究。 图 1 螺旋离心泵叶轮照片 螺旋离心泵内部流体流动属于可压缩黏性介质的三元非定常流动，常用 N-S 方程，能量方程，连续性方程和状态方程来分析， 显然是非常复杂的。从能量转换的角度来看，泵把机械能转换成液体的能量是在叶轮内进行的，叶轮带着液体旋转时把力矩传给液体，使液体的运动状态发生了变化，拟从欧拉方程出发，探究流体机械的能量转换和能量传递过程。 1 理论分析及试验方案 1.1 理论分析 为分析叶片型线各段的做功原理和能量转化能力

12、，将欧拉方程写为速度表示见式 (1) 22 1122 222221 121222uuthoooo oo oo ooUC UCHgCC wwuuggg=+(1)式中 H扬程； U 圆周速度； C 绝对速度； w 相对速度； g 重力加速度； oo 下标，表示无限叶片下的理论参数。 式 (1)中下标 1、 2 表示叶片的进出口。 1.2 试验方案 从能量转换的角度来看，泵把机械能转换成液体的能量是在叶轮作用下进行的，叶轮带着液体旋转时把力矩传给液体，使液体的运动状态发生了变化，流体机械的欧拉方程可以表征这种能量变化。 (1) 研究方案 动静扬程表征。由式 (1)，将流体所获得的理论能头可以分为动扬

13、程vH 和静扬程和pH 两部分 222122221221222oo oovoo oopCCHgwwuuHgg = = +(2) 将流体从叶轮所获得能量分为动、静压头来处理，为数值模拟研究叶轮各段的做功能力提供了理论支持。 (2) 研究方案 II叶片负荷系数表征。 为将流体能量变化和叶片负荷联系起来，将欧拉方程写为速度的另一种表达形式，如式 (3)所示722 1122122 12()( )()2uuthoouuUC UCHgUW UUCUU Uggg=+(3)分别定义式 (3)中三项意义分别表示为离心力产生的扬程、叶片翼型升力产生的扬程和预旋对扬程的影响。 由式 (3)可以清楚地表征叶片式泵的能

14、量转换过程，也将叶轮几何形状、尺寸与泵能量转换联系了起来。 其中， 当2U 明显大于1U 时，22 1()UU U 表征的是叶片对介质的离心作用。 通常在设计工况下，径流式流体机械有10uC = ，则式 (2)可写为 22 11222 12()()uuthoouUC UCHgUWUU Ugg=+(4) 根据式 (4)，引入沿叶片包角和叶片型线半径的两个负荷量纲一参数，分别定义为离心力载荷系数万方数据月 2016 年 8 月 权 辉等：基于叶片翼型负荷的螺旋离心泵叶轮域能量转换机理 171 c 和叶片翼型升力载荷系数u ，表达式见式 (5) 22 12()()cthoouuthooUU UgHU

15、WgH=(5) 1.3 叶轮型线 采用沿叶轮轮缘和轮毂型线分段取监测点，分析其做功能力。其中，螺旋离心泵叶轮型线如图 2所示，按以下流程完成。沿叶轮、轮毂取监测点 -介质为固液两相流沙水 -数值模拟 -得到监测点的参数 (速度、压力 )-应用欧拉方程将能量建立叶轮型线载荷系数的变化曲线 -沿轮缘、 轮毂型线分析叶轮各段的做功能力2。 图 2 螺旋离心泵叶轮的型线 2 计算模型设计及数值方法 2.1 螺旋离心泵模型 以 100LN-7 型螺旋离心泵为研究对象，对其按试验方案进行数值模拟，具体见图 3。 图 3 螺旋离心泵模型 2.2 网格划分 模型的最终网格数为 160 万左右，图 4 为计算域

16、及网格示意图。对 160 万及 160 万网格加密的两种网格下的计算结果进行了对比，网格加密后扬程变化不到 1%，这说明生成的网格对计算结果影响不大，并通过 ICEM 自带的网格质量检查，达到了数值计算的要求8-10。 图 4 螺旋离心泵计算域及网格示意图 2.3 边界条件 (1) 进口边界条件：液相和固相均给定均匀来流条件，为速度进口，其速度值大小相等，方向沿进口方向，固相设定体积浓度。 (2) 出口边界条件：outlet0iu=n，其中， n 为出口边界外法相单位矢量。 (3) 固壁边界条件：采用无穿透、无滑移条件。 2.4 数值方法 建立相对坐标系下的时均连续方程及 N-S 时均方程等控

17、制方程组，利用标准 k- 湍流模型来封闭方程组。 根据固液两相流含沙水具体情况， 选用 Mixture多相流模型。为保证计算精度的前提下尽可能地节省计算时间，对流项的离散采用一阶迎风格式，耗散项采用中心差分格式，设定收敛精度为 105，压力 -速度方程的迭代求解采用 SIMPLE 算法11-13。 3 叶轮域能量转换特性 3.1 清水介质下叶轮域能量变化 为了更好地研究叶轮各段做功变化，将螺旋离心泵叶轮按流道分为螺旋段和离心段两部分， 目前，比较常见的流道分段研究大多在叶片最大半径处为螺旋段和离心段分界，整个叶轮包角为 580，螺旋段和离心段分界点在包角 472.5处。同样，计算可得叶轮的螺旋

18、段和离心段扬程及各项载荷系数如表1 所示。 万方数据 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 16 期 期 172 表 1 叶轮各段扬程及载荷系数 型线名称 叶轮分段 扬程 H/m 离心力载荷系数 叶片翼型升力载荷系数 螺旋段 8.740 0.496 0.504 工作面轮缘线 离心段 0.940 0.334 0.666 螺旋段 8.240 0.985 0.015 背面轮缘线 离心段 1.123 0.230 0.770 型线名称 叶轮分段 扬程 H/m 离心力载荷系数 叶片翼型升力载荷系数 螺旋段 7.900 0.272 1.270 工作面轮毂线 离心段 0.233 1.368 0.368 螺旋

19、段 7.690 0.646 0.354 背面轮毂线 离心段 0.754 0.892 0.108 由表 1 可以看出，在叶轮螺旋段，升力载荷系数略高于离心力载荷系数，这也反映了叶轮螺旋段良好的螺旋推进作用，保持对流体良好的输送性；在叶轮离心段，升力载荷系数所占比例达到了几乎是离心力载荷系数的两倍，这是因为离心段类似于离心泵的叶片，完成对流体的做功。 由以上分析可以看出，升力载荷系数所占比例在两者之间保持最高， 尤其在离心段占主导的地位，这样，保证了叶轮良好做功的能力，而离心力载荷系数占一定比例，保证了输送固液两相流具有柔和的输送性，这样，相对于其他杂质泵，这很好地体现了螺旋离心泵的优越性。 3.

20、2 清水介质试验性能与数值模拟性能对比 为了分析螺旋离心泵的能量转换和对数值计算进行可靠性验证，对 100LN-7 型螺旋离心泵进行了外特性试验。 3.2.1 清水介质时螺旋离心泵试验 鉴于开式试验台具有结构简单，使用方便，散热条件和稳定性好的优点，根据实际情况，建立100LN-7 型螺旋离心泵开式试验台如图 5 所示。 图 5 螺旋离心泵开式试验台 3.2.2 数值与试验螺旋离心泵能量对比分析 图 6 为数值模拟和试验所得流量 -扬程曲线。 第3.1 节中应用欧拉方程分析了叶轮域能量变化， 用扬程来表征。因此，此处使用数值模拟和试验下的扬程进行对比能量分析和数值方法可靠性验证，具有一定的说服

21、力。 图 6 100LN-7 型螺旋离心泵扬程对比分析 由图 6 可以看出，在小流量和大流量时，扬程误差较大，流量为 40 90 m3/s，误差较小。整个流量范围内平均误差为 3.8%。 间接证明了采用本文中的数值模拟方法，具有较高的可靠性，能够达到能量转换研究的要求。小流量时误差大于设计工况和大流量工况，这是因为小流量时非定常引起的现象如二次流、回流、涡旋等强于其他工况，其复杂性使得预测准确性保证较差，这也符合流体机械内部流动规律的。 3.3 固液两相流介质下叶轮域能量变化 应用式 (1)，将两相中的液相和固相两相分别建立两相各自的动静扬程。通过数值模拟，得到沙粒直径 d=0.076 mm，

22、 体积分数 Cm=15%时扬程沿包角的能量变化和载荷系数变化分别如图 7、 8 所示。 3.3.1 动静扬程变化 图 7 为 100LN-7 型螺旋离心泵沿叶片包角叶轮各段能量变化。 万方数据月 2016 年 8 月 权 辉等：基于叶片翼型负荷的螺旋离心泵叶轮域能量转换机理 173 图 7 沿包角叶轮各段能量变化 分析图 7a、 7c 可以看出，在叶片工作面，静扬程变化幅度大于动扬程，在叶片包角为 0 500，动静扬程先增大后出现波动，这正体现了叶轮螺旋段螺旋推进作用；在叶片包角为 500 580时，动扬程略有下降，静扬程急剧增大，流体完成了能量由动能向静压能转换。 图 7b、 7d 中，即为

23、叶片背面，静扬程上升幅度远远小于叶片工作面，而且，动扬程整体呈下降趋势，在离心段下降最快。 3.3.2 叶片负荷系数变化 图 8 为 100LN-7 型螺旋离心泵沿叶片包角叶轮各段载荷系数变化。 图 8 沿包角叶轮各段的叶片负荷变化 万方数据 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 16 期 期 174 由图 8 可以看出，轮缘处液相与固相的载荷系数差值较大，而轮毂处相反。这也说明叶片轮缘处的流体受叶轮出力最大，两相之间出现速度滑移现象，导致相间能量传递出现差异。 由图 8 还可以看出， 从叶轮总包角 0到 1/3 处，由于进口冲击作用以及螺旋离心泵叶轮头部螺旋推进作用，使得轮缘线上离心力载荷

24、系数先增大后减小，升力载荷系数则相反；从叶轮总包角的 1/3 处到叶轮最大半径处，离心力和升力载荷系数随叶轮作用发生时间效应，均以波动形式略有增加；在叶片最大半径处至叶片出口，升力载荷系数的增长幅度是容积载荷系数的 3 倍左右，占主导地位，最终完成流体能量转换。 4 结论 (1) 在相同的功 -能转换情况下，沿包角的速度梯度与包角的大小近似成反比关系，叶轮螺旋段较小的载荷密度形成柔和的功 -能转换过程和对流体较小的剪切作用，使得流体能够平稳通过，减小对物体损伤。 (2) 从叶片的轮缘处向轮毂处叶轮做功能力逐渐下降，同时，在叶轮螺旋段向离心段过渡处，为能量的转捩区域，能量转换不明确，最终在之后的

25、离心段完成能量转换。 (3) 在螺旋离心泵叶轮负荷中，叶片翼型升力对流体做功贡献最大，这一发现对于螺旋离心泵叶片设计具有重要的意义。 在螺旋离心泵叶轮负荷中，流体的能量主要由叶片翼型升力做功传递，因此，在设计该类型泵的叶片时，可适当参考性能优良的翼型，优化内部流场。 参 考 文 献 1 STAHLE M， JACKSON D. The development of a screw centrifugal pump for handling delicate solidsJ. World Pumps， 1982， 185： 53-55. 2 权辉，李仁年，苏清苗，等 . 基于型线的螺旋离心泵轮做

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