李国威，王 岩，吕秀丽，李文华

（1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁电力勘测设计院，沈阳 110005）

离心泵广泛应用于农业灌溉、城市供水、锅炉给水、航天、石油化工、轻工、城市煤气输送等领域，其技术性能优劣直接影响到各个相关行业。分流叶片离心泵是一种为了解决效率低、扬程曲线易出现驼峰、易过载的优化形式的离心泵。分流叶片偏置是在两相邻长叶片中间设置短叶片，并向长叶片背面偏置。其目的是为了改善叶轮和泵体的速度与压力分布，以提高泵的性能。

对带分流叶片离心泵的研究，虽然国内外学者基于带分流叶片低比转速离心泵的设计方法、设计经验、势流分析、外特性试验以及内流场测试研究取得一些有价值的成果[1-11]，但是对内流场影响的研究还很不充分。

本文首先对偏置分流叶片离心泵内流体的流动机理进行分析，然后运用FLUENT软件对IS 65-40-250型偏置分流叶片离心泵进行数值模拟计算，验证并探索偏置分流叶片离心泵内部的流动规律，为带分流叶片的内部流场的研究和优化设计提供了一定的理论依据。

1 偏置分流叶片离心泵流动机理分析

1.1 数学机理分析

根据泵扬程基本方程（假设进口无旋）:

图1 叶轮出口速度三角形Fig.1 Velocity triangle of impeller outlet

将式（2）、（3）代入式（1）得到无穷多叶片泵扬程与叶轮外径和出口安放角之间的关系:

根据斯托道拉修正公式[12]，得出有限叶片泵的扬程与叶轮外径、出口安放角和叶片数之间的关系:

式（5）说明，扬程与叶轮外径D22成正比，并随着出口叶片安放角β2g的增大而增加。所以，在叶轮外径D2减小以后，需要增加叶片出口安放角和叶片数来满足扬程的要求。但是过大的出口安放角会导致相邻叶片间流道的扩散严重；叶片数增多会导致叶轮进口排挤严重，因此，解决这种矛盾的较好的方法就是采用分流叶片偏置布置的方法。

1.2 物理机理分析

如图2所示，普通离心泵由于叶轮内流体相对运动，在轴向旋涡的影响下，叶轮旋转时的科氏力和流线曲率的效应，使射流—尾流不被混掺，而叶轮中的损失则集中在尾流区。如果在叶轮某一直径上与长叶片对称放置分流叶片，则会导致分流叶片相邻流道内流量不相等，流入泵体的流体速度会不均匀，这将增加叶轮内及叶轮出口边外的水力损失。

图2 偏置分流叶片后的速度分布Fig.2 Velocity vector distribution after impeller with splitting vanes

在相邻长叶片中间再偏置分流叶片，就能改变这种状况，在一定程度上可提高扬程和效率，改善泵的性能。从理论上分析其原因，一是叶片数增多，有限叶片数影响减少；二是因靠近长叶片背面的相对速度较大，偏置分流叶片可使两个叶轮通过的流量趋于相等；三是在尾流区附近，组成新的长短叶片流道，起到分流作用，使小流道内流速增加，在一定程度上起到冲刷尾流的作用。四是偏置分流叶片能有效防止长叶片非工作面（负压面）上流体的分离和脱流，更好地控制流体运动；五是由于分流叶片布置在叶轮出口部分，叶轮进口不会造成堵塞，减小了冲击损失，改善了叶轮的抗汽蚀性能；六是由于叶轮出口叶片增多，减小了流道的扩散，从而可减小脱流和边界层分离；七是偏置分流叶片可改善叶轮内的速度分布，减小叶轮内的水力损失以及从叶轮出口到泵体进口之间的混合损失，提高泵的性能。

为了验证上述偏置分流叶片离心泵的运动机理，应用Fluent软件对IS65-40-250型的离心泵进行仿真计算，分析其内部流场的运动规律。

2 偏置分流叶片离心泵三维实体建模

对IS65-40-250型蜗壳式离心泵叶轮和蜗壳分别建立流道的三维实体模型，离心泵设计参数为:流量25 m3·h-1、扬程80 m、转速2900 r·min-1、效率50%、比转速33。叶轮分流叶片偏置设计如图3所示，设计参数如下:分流叶片进口直径D=0.6，D2=152.4 mm，取值为154 mm；偏置度（代表分流叶片在两长叶片中间的左右位置）:0.4θ；偏转角α=0。

图3 偏置分流叶片离心泵设计Fig.3 Design for impeller with splitting vanes of centrifugal pump

利用Pro/E建模软件对偏置分流叶片离心泵建立三维实体模型，其结果如图4所示。

图4 偏置分流叶片离心泵模型Fig.4 Model of impeller with splitting vanes of centrifugal pump

3 边界条件设置

3.1 入口边界条件

入口边界条件按速度入口设定，在已知流量的情况下，入口速度的计算公式为:

在额定工况下，流量Q为25 m3·h-1，入口截面半径r为32.5 mm，可计算额定工况下入口速度（m·s-1）。本文在计算中选用湍流强度I、水力直径D、湍动能K和湍动耗散率ε方法按下列公式计算[13]，即:

式中，ReDH按水力直径DH计算得到的雷诺数；v入口处的平均速度（m·s-1）；Cμ湍流模型中的经验常数，其值约等于0.09；L特征长度（本文中按入口直径计算）。

按公式（7）～（10）计算所得结果为:I=3.65%，k=8.813×10-3m2·s-2，ε=0.0299 m2·s-3，l=4.55×10-3m。

3.2 出口边界条件

由于本文求解的是离心泵整机不可压缩流场，而且蜗壳出口流体流动速度和压强未知，因此，出口边界条件选用出流边界条件。

3.3 壁面条件

叶轮前后盖板面和各个叶片面均设置为移动壁面，但相对于临近流体区域的移动速度是零；由于蜗壳内腔表面在整个流动过程中处于静止状态，因此将其设置为静止壁面。

4 流场仿真结果分析

彩版Ⅰ、Ⅱ偏置分流叶片离心泵内流场静压、总压分布云。由彩版Ⅰ、Ⅱ中可以看出，偏置分流叶片离心泵内叶轮入口附近压力最小，蜗壳出口附近压力达到最大；叶轮出口处总压达到最大值，进入蜗壳后由于存在流动损失，总压沿流动方向递减，但变化比较平缓。由此可见，偏置分流叶片可更好地控制流体运动，有效地抑制了流体的分离和脱流。蜗壳螺旋线管区域内流体静压分布更为均匀，没有出现静压相对较大的局部区域，蜗壳螺旋线管区域内静压变化梯度相对减小，有利于减小叶轮出口的压力脉动，降低流动损失。偏置分流叶片后，离心泵内流体总压分布均匀，压力变化梯度明显减小，因而流动损失降低。

从彩版Ⅲ可以明显看出，偏置分流叶片后，叶轮和蜗壳内流体速度分布更加均匀，速度变化梯度相对较小，离心泵内没有出现明显的流体流动分离现象，流动状态良好，冲击损失小，流动损失较低。这是因为靠近长叶片背面的相对速度较大，偏置分流叶片后可使两个叶轮通过的流量趋于相等。蜗壳扩散段速度更加稳定，蜗壳出口速度分布更加均匀，蜗壳出口扩散段的利用率增加。

彩版Ⅳ为离心泵叶轮偏置分流叶片后径向中心剖面的相对速度矢量图。从图中可以看出，出口相对速度沿叶轮出口边的切线方向；叶轮出口速度分布较均匀，没有明显的射流—尾流现象，这一现象与理论上分流叶片偏置能起到冲刷尾流的作用相一致。这是因为分流叶片偏置后，在尾流区附近，组成新的长短叶片流道，起到分流作用，使小流道内流速增加，在一定程度上起到冲刷尾流的作用。

图5～6是经过计算后得到的原型离心泵和偏置分流叶片离心泵的扬程和水力效率对比图。由此可见，按本文中分流叶片偏置设计方法，偏置分流叶片离心泵较原型离心泵的扬程和效率分别提高了3.46%和1.7%。

图5 扬程对比Fig.5 Contrast of head

图6 水力效率对比Fig.6 Contrast of waterpower efficiency

5 结 论

从数学上和物理上分析了偏置分流叶片离心泵的内流体的运动机理。通过仿真分析，验证了偏置分流叶片有利于提高离心泵内压力、速度分布均匀性，减小叶轮和蜗壳内的水力损失；在一定程度上有效地改善了射流—尾流结构，起到了冲刷尾流的作用；减小了叶轮出口处的压力脉动，降低了冲击损失，流动状况得到明显改善。经过计算，偏置分流叶片离心泵扬程和水力效率较原型离心泵分别提高了3.46%和1.7%。

[1]付跃登,袁寿其,袁建平.带分流叶片离心泵研究现状与发展趋势[J].中国农村水利水电,2007(5):123-125.

[2]陈松山,周正富,葛强,等.长短叶片离心泵正交试验研究[J].扬州大学学报,2005,8(4):45-48.

[3]徐洁.低比转速离心泵复合式叶轮内部流动的数值计算[D].兰州:甘肃工业大学,2001.

[4]袁寿其,张玉臻.离心泵分流叶片偏置设计的试验研究[J].农业机械学报,1995,26(4):79-83.

[5]李文广.特低比速离心泵叶轮内部流动分析[J].水泵技术,2005(1):1-6.

[6]王乐勤,朱祖超,汪希萱.低比转速两级复合叶轮高速离心泵的研制[J].浙江大学学报,1997,31(5):688-694.

[7]朱祖超,王乐勤,周响乐.低比转速复合离心叶轮设计探讨[J].水泵技术,1995(5):11-14.

[8]袁寿其,张玉臻.低比转速泵水力设计原则及优化思想[J].农业机械学报,1997,28(2):155-159.

[9]何有世,袁寿其,郭小梅,等.带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压缩湍流场的数值模拟[J].机械工程学报,2004,40(11):153-157.

[10]陈松山,周正富,何钟宁,等.离心泵偏置短叶片叶轮内部流动的粒子图像速度测量[J].机械工程学报,2008,44(1):56-61.

[11]齐学义，倪永燕.复合叶轮离心泵叶轮短叶片偏置设计分析[J].甘肃工业大学学报,2003,29(4):60-63.

[12]袁寿其.低比速离心泵理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2001.

[13]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.