陈建芳，施卫东，张德胜

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 常州大学石油工程学院，江苏 常州 213164； 3. 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

叶轮叶片数越少，叶轮流道横截面积越大，泵的无堵塞和抗缠绕性能越好[1]，因此，单叶片离心泵非常适合于输送具有长纤维及大颗粒物质的介质.近年来，许多学者对单叶片离心泵进行了研究.AUVINEN等[2-3]利用FINFLO软件分别采用定常和非定常方法模拟了单叶片泵内的瞬态流动.NISHI等[4-5]采用LDV试验和CFD方法研究了单叶片叶轮内部流场，2种方法在绝对速度的径向分量上存在差异，但对泵性能和切向分量的评价较为一致.PEI等[6-8]采用数值计算和试验方法研究了单叶片离心泵在非设计条件下流动引起的振动情况，并预测了多工况下单叶片泵的瞬态压力变化.STEFFEN等[9]采用基于电磁流量计的一种新测量方法对单叶片离心泵回路中的流量和压力进行测试，发现在泵的整个工作范围内，压力和流量波动呈相似的趋势.

叶片进口边适当向泵入口延伸，使液体提前受到叶片作用，可以减小叶轮外径，有利于提高叶轮抗汽蚀性能和减小特性曲线的驼峰[10].罗先武等[11]研究认为，将叶片的进口边适当延伸以保证流体在叶轮进口的流动均匀性，可改善离心泵的抗空化性能.周岭等[12]研究表明适当把叶片进口边进行延伸可减小叶轮出口湍流强度和改善流场分布.杨万勇等[13]设计了5种不同叶片进口边位置的叶轮，研究表明，叶片进口边向出口方向延伸可改善空化性能，但延伸过多会降低叶片的做功能力.

以上研究主要集中于多叶片离心泵，而有关单叶片离心泵叶片进口边位置对其性能影响的文献鲜见报道，文中为一台单叶片离心泵设计6种不同进口边位置的叶轮，采用数值计算和试验方法分析叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响.

1 几何模型及叶轮形式

所研究的单叶片离心泵的设计性能参数分别为流量Qd=20 m3/h，扬程H=11 m，转速n=2 940 r/min.图1为该水泵(叶轮去掉前盖板)的示意图，其中叶轮的进口、出口直径分别为45，125 mm，叶轮出口宽度为31 mm，叶片包角为360°，叶片出口安放角为18°；蜗壳进口直径为135 mm，蜗壳进口宽度为46 mm.图2为其中一个叶轮的三维模型.

图1 水泵二维图

图2 叶轮三维模型

在保持叶轮外形尺寸不变的前提下，根据叶片进口边的位置，设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮，如图3所示.

图3 叶轮轴面投影

叶轮用进口边位置的数字组合表示，如叶轮12，即进口边分别沿后盖板和前盖板向泵入口延伸.当叶片进口边与轴线不平行时，叶片进口边上各点的半径不同，圆周速度也不相同，此时相应各点的相对速度及流动角不同，导致叶片进口安放角沿进口边不同[14]，文中轴面流线的进口安放角从前盖板到后盖板逐渐增大.图3a中线段12，13和14与轴线的夹角分别为0°，10°和21°，图3b中线段53，13，63和73与轴线的夹角分别为16°，10°，5°和0°.

图4为进口边位置不同的叶片示意图，可以看出，随着进口边向泵入口的延伸增大了叶片面积，同时对叶片进口宽度也有一定影响.

图4 进口边位置不同的叶片

2 数值计算

2.1 计算区域

图5为单叶片离心泵全流场计算区域，对各过流部件进行三维建模，为确保泵进出口流动的稳定性，使其流动更加接近真实流动状态，分别对叶轮进口和蜗壳出口进行5倍于管径的延伸[15].

图5 计算区域

2.2 网格划分

采用ANSYS CFX前处理软件ICEM对泵计算域进行网格划分，其中蜗壳计算域和叶轮计算域采用非结构化网格，其他计算域采用结构化网格，并对叶片壁面和隔舌附近进行网格加密.流体域所有网格质量均大于0.3.对各过流表面进行边界层网格划分，保证距离壁面的y+在80左右.

以额定工况下泵扬程和效率为指标进行网格无关性验证，结果如图6所示，可以看出，随着网格数N的增大，数值计算结果逐渐趋于稳定.网格数的增大会增加计算时间并且对计算机的配置有更高的要求，文中最终确定网格总数约为280万以进行后续计算.

图6 网格无关性验证

2.3 数值计算方案

应用ANSYS CFX软件对单叶片离心泵全流场进行数值计算，采用标准k-ε湍流模型，控制方程为连续性方程和动量方程，其中动量方程对于泵内复杂的三维湍流运动采用雷诺平均RANS方程.近壁区采用“scalable wall function”函数，假设壁面为无滑移边界条件，壁面粗糙度设为50 μm.采用总压进口和质量流量出口边界条件.采用多坐标参考系，设叶轮为旋转域，其他计算域为静止域，旋转域与静止域之间采用“Frozen Rotor”模式[16]，计算收敛残差设为10-4.

2.4 试验验证

为了验证数值计算方法的可靠性，以叶轮14为试验叶轮进行泵性能试验.图7为额定转速下，单叶片离心泵的数值计算结果与试验结果的对比，可以看出：在运行流量内，扬程和效率的数值计算值均高于试验值，两者随流量的变化趋势相同.除流量为28 m3/h工况下的扬程误差10.5%偏大外，其余工况扬程的误差为1.4%～6.6%；在全部工况下，效率的误差为2.5%～7.8%.这表明文中所采用的数值计算方法是可靠的，数值计算精度满足工程实际要求，可用于单叶片离心泵外特性流场的分析.

图7 额定转速下泵性能数值计算与试验结果对比

由图7还可以看出，在小流量工况下，计算扬程曲线存在比试验扬程曲线更明显的驼峰现象，这可能是由叶片形状引起的，相比圆柱形叶片，叶轮14的扭曲形叶片产生的驼峰现象更明显[17]，同时由于叶轮加工精度导致试验叶轮的叶片扭曲程度降低，从而减轻了试验扬程曲线的驼峰现象.

3 计算结果分析

3.1 外特性分析

图8所示为不同叶片进口边位置时单叶片离心泵的外特性曲线.可以看出：当叶片进口边由12沿后盖板延伸至13，扬程最大可增大1.61 m，且扬程增大的幅度随流量的增大而增大；继续延伸至14，扬程最大可增大0.74 m；当叶片进口边由12延伸至13，效率最大可提高5.23%，且最高效率点移至20 m3/h，但叶片进口边由13继续延伸至14后，效率最大可提高0.78%，其中某些工况效率没有提高反而有所下降；当叶片进口边沿前盖板由53依次延伸至13和63后，扬程依次最大可增大0.70 m和0.69 m，继续延伸至73，在大流量工况下，扬程最大可增大0.35 m，在小流量工况下，扬程没有增大反而有所减小.当叶片进口边沿前盖板由53延伸至13时，泵效率最大可提高2.01%，当延伸至63和73后，最高效率点向大流量移动，高效区明显变窄.因此，叶片进口边不论是沿后盖板还是沿前盖板向泵入口适当延伸，均可提高叶片的做功能力和做功效率，但延伸过多容易造成流道堵塞，扬程增大量变小，某些工况下的扬程和效率不升反降.

图8 不同叶片进口边位置时单叶片离心泵外特性曲线

由图8还可以看出：叶片进口边13至63的延伸量小于叶片进口边13至14的延伸量，对比2种情况下的扬程发现，在流量为12，16和24 m3/h工况下，叶轮63的扬程要大于叶轮14的扬程，最大相差3.1%，最小相差1.7%；在流量20，28 m3/h工况下，叶轮14的扬程大于叶轮63的扬程，分别相差0.9%和0.4%；除额定工况外，其余工况下叶轮63的效率均大于叶轮14的效率，两者之间的效率最大相差2.6%，说明叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸后对泵扬程、效率的影响较明显；进口边由12平行轴线延伸至73，泵扬程、额定和大流量工况下的效率显著提高，因为延伸后，叶片面积增大，做功能力增强.

3.2 额定工况下叶轮中截面压力和速度分析

图9为额定工况下，叶片进口边位置不同的叶轮在中截面的压力分布，可以看出：6种叶轮的压力分布规律大致相同，均呈圆周非对称分布，压力随半径增大而增大，叶片吸力面入口处存在低压区；随着进口边沿后盖板延伸量的增加，叶片吸力面入口处的最低压力也增大，且高压区域明显增大；随着进口边沿前盖板延伸量的增加，叶片吸力面入口处的最低压力越来越大，但是叶轮73在叶片吸力面入口处的低压区域却显著增大；叶轮53，13和63的中截面高压区域相差不大，而叶轮73高压区域明显减小；由于叶片进口边沿前盖板和后盖板向泵入口适当延伸可以使流体提前受到叶片的作用，使流动更均匀，从而减小了水力损失；叶片进口边向泵入口延伸，减小了进口边上所在点的半径，使得流体的流动速度减小，叶片吸力面入口处的压力增大，从而避免了此处空化现象的发生；叶轮73入口处出现较大面积低压区域的原因为进口边延伸太大，增加了叶片对流体的排挤，能量损失增大，叶片吸力面压力减小.对比叶轮14和叶轮63的压力分布发现，与进口边沿后盖板延伸相比，进口边沿前盖板适当延伸更加有利于提高叶片吸力面入口处的压力，并且进口边延伸量更少；对比叶轮14和叶轮53的压力分布发现，进口边同时沿后盖板和前盖板向泵入口延伸，可提高叶片吸力面入口处的压力，增大高压区域，增强叶轮做功能力；对比叶轮12和叶轮73的压力分布发现，叶片进口边延伸后，叶片吸力面入口处的压力激增，同时叶片进口处的低速区面积显著增大.

图9 进口边位置不同时中截面压力分布图

图10为额定工况下叶片进口边位置不同时叶轮中截面的相对速度分布，可以看出，6种叶轮的中截面相对速度分布规律大致相同，均呈圆周非对称分布，相对速度随半径增大而增大，在叶轮出口达到最大.随着进口边沿后盖板和前盖板向泵入口延伸量的增加，入口处、叶片压力面前端和吸力面附近的低速区逐渐增大，蜗壳内的低速区减小.叶片进口边向泵入口延伸后，由于叶片对流体提前作用，使其流动更均匀，流体的流动速度减小，使得入口处产生低速区；另外叶片对流体的约束增强，在叶轮内产生较大的速度梯度，压力面附近相对速度减小，压力面前端出现低速区.由此可知，入口处的回流现象、叶片压力面前端的流动分离、脱流现象和叶片吸力面入口处出现的旋涡随着叶片进口边向泵入口延伸量的增加而更加明显.对比叶轮12和叶轮73的速度分布发现，进口边位置由12延伸至73，入口处、叶片压力面前端和吸力面附近的低速区面积显著增大，其原因是进口边延伸过多，加剧了进口处叶片对流体的排挤，能量损失严重，相对速度降低.对比叶轮14和叶轮53的速度分布发现，叶轮53在叶片压力面前端和入口处的低速区比叶轮14小，流体流动分离和回流现象减轻. 因此，叶片进口边的位置显著影响单叶片离心泵的外特性和内流场的流动特性，叶片进口边向泵入口的延伸应适当，不宜过多延伸.

图10 叶片进口边位置不同时叶轮中截面速度分布

4 结 论

1) 叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸，叶片对流体的控制能力增强，可提高泵的扬程和效率.叶片进口边延伸过多，叶片入口流体堵塞，造成某些工况下的扬程和效率不升反降.

2) 叶片进口边延伸后，叶片入口冲击损失减小，大幅提高叶片吸力面进口处的压力，降低此处发生空化的可能，但泵会出现低速区.

3) 提高相同幅度的泵扬程或泵效率，所需的叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸量要小于叶片进口边沿后盖板延伸量.