以涡轮离心泵涡轮模式的专用叶轮为研究对象的理论、实验和数值研究外文翻译资料

以涡轮离心泵涡轮模式的专用叶轮为研究对象的理论、实验和数值研究

西华大学能源与动力工程学院流体与动力机械教育部重点实验室，四川成都

江苏大学国家水泵研究中心，江苏镇江

摘要：由于传统的离心叶轮与涡轮工况的不匹配，使得涡轮(PAT)技术性能不理想，效率范围小，效率高。本研究旨在通过设计一种适合涡轮工况的前弯叶片专用叶轮，显著提高PAT的性能。确定在能量转换中起重要作用的叶片进出口角的方法。采用设计的专用叶轮和原叶片叶轮进行了PATs的性能试验。采用计算流体力学方法对不同叶轮比转速为18.1的叶轮进行了数值研究，验证了用专用叶轮代替原有叶轮后的性能改进。通过设计和试验另外两种离心泵专用叶轮作为不同比速的涡轮，验证了所提方法在其它情况下的适用性。与原后向曲线叶轮相比，三种不同比速的前向曲线叶轮的实验最大效率均有较大提高，流量也有较大提高。效率曲线较平，说明前向曲线叶轮在PAT上具有明显的优越性。最佳效率点(BEP)的实验流量与理论设计流量非常接近，说明叶片进口角与设计流量之间的理论关系式，为PAT涡轮专用叶轮工况下的BEPs流量提供了一种有效的预测方法。本研究提供了一种低成本、便捷的方法来显著提高涡轮模式下PAT的效率。

关键词:涡轮泵 水电 特殊的叶轮 前弯叶片 理论分析 数值研究

3.实验研究

3.1实验装置

为研究专用叶轮和原叶轮两种叶片的性能，在江苏大学搭建并使用了完整的PAT开路平台，如图5所示。安装了进料泵，提供PAT能量回收所需的高压流体。安装电涡流测功机，测量和消耗PAT产生的能量，调节PAT的转速。利用压力变送器获得了进气压力和出气压力。流量是用涡轮流量计测量的。通过对各参数的测量，得到了所需的压力扬程、轴的功率和PAT效率。表2列出了仪器及其精度。

相对不确定性在实验测量速度，流量，扬程，扭矩和效率为plusmn;0.07%,plusmn;0.5%,plusmn;0.72%,plusmn;0.4%

，plusmn;0.97%,分别用专用PAT进行测试叶轮在最佳效率点(BEP)。

表2：仪器及其准确度。

3.2 实验结果分析

图6所示。实验两个叶轮的性能曲线(n_sp =18.1):(a)Q—H曲线, (b)Q—P曲线和(c)Q—H曲线。

对设计的专用叶轮和原叶轮进行了PAT性能试验。实验性能曲线如图6所示。通过对比实验得到的两种PAT性能曲线，表明专用叶轮的Q—P曲线位于原叶轮的上方。换句话说，在相同的流量下，专用叶轮可以比原叶轮输出更多的轴功率。在105m3 /h流量范围内，专用叶轮所需压力扬程高于原叶轮。在整个工作范围内，专用叶轮的Q—h曲线定位在原叶轮的上方。采用专用叶轮时，效率曲线比原叶轮更平坦。在0.9Qbep- 1.2Qbep的工作范围内，PAT与正向曲线叶片的效率变化仅在1.5%以内。因此，前弯叶片专用叶轮的高效运行范围比传统前弯叶片专用叶轮大。两种PATs的BEPs流量分别为86.14 m3/h和95.24 m3/h，最大效率分别为59.98%和67.91%。这些结果表明，前向曲线叶轮在PAT中具有明显的优越性。

通过对实验BEP效率的分析，将所设计的前向曲线叶轮的性能与其它具有相似比转速的叶轮性能进行了比较。PATs的实验BEP效率以及与已发表数据的比较如表3所示。值得注意的是，虽然在五种情况下，带专用叶轮的泵的比转速是最低的，但是专用叶轮的效率要高于其他叶轮。

4. 数值调查

通过对原叶轮和专用叶轮的PATs进行数值分析，采用专用叶轮，提高了PAT的性能。

4.1数值模型

采用ANSYS CFX软件对带正弯叶片的PAT叶轮进行了流动分析。图7(a)为整个计算区域，由蜗壳、叶轮、前轮盖、后轮盖和引流管五部分组成。在蜗壳进口和引流管出口截面上增加四倍的管径，获得稳定的进出口流量。

4.2网格生成

在ICEM CFD中生成了各构件的结构六面体网格。单元的高密度分布在壁面边界层，正如图7(b)所示。进行了网格无关性测试。的网格数大于1.2 106时，效率变化小于0.5%

表3

PATs的BEP效率实验及与已发表数据的比较。

专用叶轮和原叶轮的平均值附近的边界墙大约是40。

4.3解决方案的参数

1. (b)

图7所示。数值模型:(a) PAT计算域，(b)计算域网格。

采用ANSYS CFX软件对PAT内部流动进行了模拟。的基础上计算准确性和消耗时间,选用标准k-ε湍流模型模拟[30]。

工作液采用25摄氏度的清水。控制体积内壁面粗糙度设置为50mm，与实际表面相似。将转动部件和静止部件的界面设置为冻结转子界面，将静止部件和转动部件的界面设置为通用网格界面。所有动量和质量方程的收敛准则被设为106。平流格式设置为高分辨率。湍流数值设置为高分辨率。将入口边界设置为质量流量入口，将出口边界设置为静压出口。通过改变质量流量得到了PAT性能曲线。

4.4数值结果

实验和数值结果得到的两种PATs的效率曲线如图8所示。表4列出了两个叶轮的CFD预测cep。两种PATs的CFD预测BEPs流量分别为85 m3/h和100 m3/h，最大效率分别为63.01%和71.26%。CFD得到的性能曲线趋势与实验结果吻合较好。然而，数值结果与实验结果存在一定的偏差。数值结果与实验结果的差异可能是由于忽略了机械密封和轴承造成的机械损失和平衡孔造成的体积损失以及制造和安装误差。CFD预测与实验结果的对比表明，网格质量和湍流模型适用于PAT性能预测。

图8所示。通过实验和数值计算得到了两种PATs的效率曲线。

• CFD预测了两个叶轮的BEPs。

4.5水力损失分布分析

PAT三个区域的水力损失分布如图9所示，PAT三个区域的水力损失分布如图10所示。这些区域包括蜗壳、引流管和叶轮，包括蜗壳和叶轮尖端之间的径向间隙。蜗壳内的水力损失随着流量的增大而增大，在相同流量下，专用叶轮PAT蜗壳内的水力损失几乎与原叶轮patte内的水力损失相同。该专用叶轮水管内的水压损失低于原叶轮水管内的水压损失。两个叶轮内的水力损失变化明显。专用叶轮内的水力损失随着流量的增大而减小，在BEP处达到最小，然后增大。原叶轮内的水力损失随流量增大而增大。在大流量范围内，原叶轮内的损失迅速增大。因此，经过BEP后，原叶轮PAT效率迅速下降，如图8所示。水力损失分布分析表明，PAT在涡轮模式下工作时，专用叶轮的进出口比原叶轮的进出口更加合适。

图9所示，水力损失分布在两个PAT内。

图10所示，PAT内三个区域。

4.6内部流动特性分析

图11为BEP点在两个PAT间叶片表面速度分布。蜗壳内部流动较为规律，叶轮区存在涡旋。分析了专用叶轮与原叶轮在BEP条件下叶轮进出口水力损失的差异。从图11(a)可以看出，叶片进口压力面附近区域出现了旋涡。由于进口叶片角不匹配，蜗壳与叶轮进口之间存在明显的回流，导致原叶轮进口湍流耗散增大，激波损失显著。由于出口叶片角度不匹配，叶片扫向不合适，在叶片中部吸力面附近至叶片出口部分发生流动分离。流动分离导致叶轮出口与叶轮中部倒流，水冲击增大。吸力面附近出现与叶轮旋转方向相同的大涡。因此，原叶轮产生较大的水力损失，随着流量的增大，叶轮内的水冲击损失和流动分离损失增大。在图11(b)中，由于叶片进出口角度匹配，专用叶轮进出口内部流动均匀。叶片入口压力面附近出现涡流，主要由水的惯性效应引起。涡流的方向与叶轮的旋转方向相反。在叶片角度和掠向匹配的情况下，专用叶轮的水力损失明显小于原叶轮，如图11所示。此外，流动的不均匀性会对压力脉动和振动激励产生显著影响。因此，专用叶轮可以提高PAT的水力性能和工作稳定性。

图11所示。叶片到叶片表面的速度分布在BEP上的两个PAT内:(a)原始叶轮和(b)专用叶轮。

4.7静压分布分析

叶片间表面的静压分布在两拍在Q=90 m3 / h图12所示。叶轮将压力能转化为速度能，从而对周围流体形成较大的压力梯度。静压随流量从蜗壳到叶轮进出口逐渐减小。专用叶轮内的压力梯度变化比原叶轮内的压力梯度变化更为均匀。原叶轮蜗壳出口与叶轮进口静压比专用叶轮高。因此，由于原叶轮进气口不匹配，使得压力能不能很好地转换。但与原叶轮相比，专用叶轮入口更适合蜗壳出口的流动状态，因此效率较高。

引流管的静态压力分布地区附近的叶轮出口在两拍在Q=90 m3 / h图13所示。原叶轮静压比专用叶轮静压高。因此，由于原叶轮出口叶片出口角与原叶轮出口不匹配，导致出口出口不均匀，导致压力能转换不好。但与普通叶轮相比，专用叶轮出口更适用于水流

对原叶轮进行阳离子处理，从而提高了效率。

图12所示。叶片间的静态压力分布在两块表面Q=90 m3 / h: (a)专用叶轮和原始叶轮(b)。

5、验证和讨论

提出的方法对其他情况的适用性为通过设计其它两台离心泵涡轮模式专用叶轮作为不同比转速的涡轮进行验证。具体速度是36.4和52.8。两个原泵的主要参数如表5所示。利用2.1节式(10)，当k1=38.18733，n_sp =36.4和k1=52.8，n_sp=24.83时蜗壳结构系数可以计算。在测试仪器范围内的最大效率时，将两个带有专用叶轮的挡板的设计流量分别设置为85.6 m3/h和90 m3/h。此外，根据2.2和2.3节给出的方法计算了叶片进出口角。计算结果如表6所示。

1. (b)

图13所示。引流管的静态压力分布（a）专用叶轮和(b)原叶轮。

为保证专用叶轮安装在原蜗壳内，将叶轮入口直径、出口直径、叶轮轮毂直径、耐磨圈长度、叶轮入口宽度等尺寸与原蜗壳相同。刀片号也设置为11。叶片前缘厚度为5mm，后缘厚度为2mm。圆弧半径为叶片进口和出口厚度的一半。然后利用BladeGen和NX软件对专用叶轮进行建模。n_{sp资料编号：[4582]}

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