基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析

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第 35卷第5期 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) Vo1．35 No．52013年 9月 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(Natural Science Edition) Sep．2013doi：10．3969／j．issn．1671—7627．2013．05．022基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析江振兴，顾伯勤，邵春雷(南京工业大学 机械与动力工程学院 江苏省高校过程强化与新能源装备技术重点实验室，江苏 南京 211800)摘 要：为对废泵进行利用，在现有蜗壳的基础上设计新的高效低噪叶轮。结合叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数4个因素，按照 L9(3 )正交试验方案设计 9个叶轮，将其与现有蜗壳配套成9台泵，采用 Fluent软件对泵进行数值模拟，分析离心泵内流场和外特性，并对满足设计扬程要求的泵进行稳定性分析。结果表明：4号泵(叶轮外径为246．2 mm，叶片出口角27．35。，叶片包角 l10。，叶片数 7)效率最高，轴功率最小并且 内流场和稳定性表现都较为优秀；因素分析表明：出口角对离心泵效率的影响最大，包角对 离心泵轴功率、扬程和叶轮扭矩的影响最大。

关键词：离心泵；蜗壳；高效低噪；数值分析中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：1671—7627(2013)O5—0114—06Design and numerical analysis on impeller with high efi ciencyand low noise based on existing voluteJIANG Zhenxing，GU Boqin，SHAO Chunlei(Jiangsu Key Laboratory of Process Enhancement and New Energy Equipment Technology，Colege of Mechanical and Power Engineering，Naming University of Technology，Naming 211800，China)Abstract：To make use of waste pump，a new impeller with high eficiency and low noise was designedbased on the existing volute．Four factors about impeler diameter，blade outlet angle，blade wrap angleand blade number were considered in the oahogonal experimental design．Nine impellers，fitted with theexisting volute，were designed according to the scheme L9(3 )．The flow fields in these pumps were sim—ulated by using Fluent software．The inner flow fields and the external performances of these centrifugalpumps were analyzed，and the stability analyses were carried out with regard to the pumps meeting thedesign requirement．The results showed that No．4 pump(impeler diameter 246．2 mm，blade outlet an—gle 27．35。，blade wrap angle 1 10。，and blade number 7)performed excellently on inner flow field andstability，and it had the minimum shaft power and the maximum efficiency．From the factor analysis re—sults，it could be seen that blade outlet angle had the greatest influence on centrifugal pump eficiencyand the blade wrap angle had the greatest impact on centrifugal pump shaft power，head and impellertorque.

Key words：centrifugal pump；volute；high eficiency and low noise；numerical analysis收稿日期：2012—11—19基金项 目：江苏省自然科学基金(BK2012430)；江苏省高校 自然科学研究项 目(10KJB470006)；江苏省普通高校研究生科研创新计划(CX10B一166Z)作者简介：江振兴(1988一)，男，江苏海门人，硕士生，主要研究方向为流体测控技术和转动流体机械；顾伯勤(联系人)，教授 ，E-mail：bqgu###njut．edu．cn.

第5期 江振兴等：基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析 115叶轮是泵最重要的部件之一 ，是影响泵性能的关键部分。谈明高等 ¨对 6台泵外径进行切割 ，分析了其内流场的变化。张翔等 设计 了4种不同包角的离心泵并对其进行数值分析。Yang等 3 也指出存在一个最佳的叶片包角使泵达到最高效率。曲延鹏等 通过实验控制出口角变化研究了出口角对离心泵的外特性影响。Yang等 研究了出 口角的变化对泵 的径向力和内流场的影响。谈明高等 对叶片数分别为4、5、6、7的同一个蜗壳进行测试，测量其产生的噪声。Liu等 分析了不 同叶片数下泵 的内流场和外特性。Ra6l等 研究 了非定常蜗舌附近工作点的稳定性变化。文献[9]简单阐述了离心泵叶轮参数单独作用下对泵内流场和外特性变化趋势的影响。文献[10—12]从不同角度阐述叶轮各因素对泵的各性能的影响。以上研究对离心泵 的内部流场分析、优化改造、提高效率及稳定性有一定的参考价值。

但是这些分析都只讨论 了单一因素对泵的影响，而综合离心泵叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数 4个 因素去研究泵的外特性 、内流场和流动稳定性的文章鲜见报道。

笔者采用正交试验综合叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数按 L。(3 )设计出9个叶轮与现有蜗壳配套，采用 Fluent软件对泵的外特性、内流场和流动稳定性进行数值分析，设计出高效低噪的离心泵 ，并对外特性进行因素分析。

1 模型的建立1．1 控制方程对不可压缩流体，其连续性方程为业 + + ：0 f 1)at 0Xi axj式中：P为液体密度，文中流体为不可压缩流体水；t为时间； 、 为速度分量； 、 各个坐标系分量。

动量方程为(2)式中：p为湍动能压力； 为有效黏性系数。

1．2 边界条件1．2．1 进口条件吸水室进口的速度分布均匀，故本文计算采用速度进口边界条件，速度方向垂直于进口界面，进口速度大小根据流量计算。入口边界湍流特性根据湍流强度 ，和水力直径 D 的组合取值。

1．2．2 出口条件假定出口边界处流动充分的发展，出口区域远离回流部分，出口设置为 outflow，则有(grad~)·n=0，其中： 为出口边界上的参数；．rt出口边界外法线方 向。

1．2．3 壁面条件在叶片(包括前后盖板)表面、进 口部分和蜗壳等固体壁面上，速度满足无滑移条件，壁面无摩擦。

蜗壳为固定部件，叶轮是旋转部件，旋转速度和轴的转速相同为1 450 r／min。

1．2．4 交界面条件交界面的耦合分别采用 MRF模型与 SM模型来计算定常和非定常流动。研究离心泵的外特性和内流场采用 MRF模型，研究流动稳定性采用 SM模型。

1．3 几何模型离心泵的设计流量 Q =243 m ／h，设计扬程H=18 m，转速 rt=1 450 r／rain。设计出的叶轮与蜗壳配套。现有蜗壳的主要结构参数见表 1。

表 1 蜗壳的主要结构参数Table 1 Main structure parameters of volute采用 Pro／E进行泵的三维造型，采用 GAMBIT对模型进行网格划分见图 1。网格的等角斜率和等尺寸斜率都小于0．85，网格质量 良好。模型网格数经过相关性检查，当计算外特性的变化小于 2％时认为网格数影响可以忽略。

2 正交试验设计在正交试验中，叶片的扭曲度为 5。，叶片的出口宽度为34．1 mm，入口角度在研究过程中存在变化，文献[14]指出人 口冲角在 3。一5。范围内变化时，泵的扬程和效率基本不变。经过大量模拟试验，数据表明，叶轮直径、叶片出口角、叶片包角和叶片数量对离心泵的各项性能影响最大。因此本文只考虑这4个因素。将叶轮直径、叶片出口角、叶片包角监一嵋一一116 南 京 工 业 大 学 学 报 (自然 科 学 版) 第35卷图 1 网格模型Fig．1 Grid model和叶片数量分别定义为因素 1、因素 2、因素 3和因素4。在大量模拟数据下找出最优离心泵的因素水平区间。叶轮模型参数见表 2。

表2 叶轮模型参数Table 2 Impeller model parameters4因素 3水平正交实验表见表 3，对各因素水平下的叶轮分别采用 Pro／E建模，并与图 1的蜗壳配套组装，组成9台泵。采用Fluent进行模拟计算，将最后的数据进行对比，找出在满足设计扬程条件下高效低噪稳定的离心泵。

表3 4因素3水平正交试验表Table 3 Orthogonal test table of four factors and three levels试验序号 正交试验3 试验结果及分析3．1 泵外特性及内流场分析9台泵模型的模拟结果如表 4所示。1号泵、2号泵、4号泵、7号泵、8号泵和9号泵满足设计扬程H的要求。在满足设计扬程日的6台泵中4号泵叶轮扭矩略小于其他泵。由于4号泵的叶轮直径较小，按文献[13]可知，圆盘损失功率 △ 明显低于其他泵。而1号泵、2号泵、4号泵、9号泵效率差别较小，4号泵略高于其他泵。同时4号泵的轴功率低于其他满足轴功率的5台泵。因此在满足设计扬程的条件下，4号泵在圆盘损失、效率和轴功率上的表现比较优良。

图2是满足设计扬程的6台泵的叶轮湍动能分布。单位质量流体湍流脉动的动能(湍动能 )大小直接反映了叶轮流道内动能的耗散程度。从图2中可以发现：湍动能最小地方为叶片工作面中段部位，湍动能从中段向外侧逐渐变大，叶片两端即叶片进表 4 数值预测结果Table 4 Results of numerical predictionn nn n 强
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第35卷PRMS (3)式中：P(t)为瞬时压力；卢为叶轮转动一个周期的时均值；Ⅳ为监测点个数。

蜗壳内部的压力脉动主要是由叶轮和蜗舌的互相作用引起的，表现为流量的不稳定性引起的叶轮流道和蜗壳管道内的压力大小变化。压力均方根值分布见图4，逆时针方向 30。一90。区间各泵的压力均方根有较明显的变小，这是因为叶轮扫过蜗舌后进人一个相对平稳的蜗壳流道，该区间为流量和压力变化较小的区问。在顺时针方向 30。一180。区问随着蜗壳通道流量和压力的变化，产生较大压力脉动。在顺时针方向 180。一95。区间内，流体即将扫过蜗舌产生较大的压力脉动，同时也会产生较大的噪声。从图4可发现：4号泵无论在各方向的压力均方根值都小于其他泵，因此4号泵的流动稳定性也优于其他几台泵。

压力脉动会造成蜗壳振动，同时压力脉动会直接沿管路传播。因此反映泵稳定性的另一个重要位置是泵的进出口处。表 5是各泵进出口的压力均方根值，从表 5中可知：4号泵和 9号泵进 口处压力的均方根值较小，2号泵的进口压力明显高于其他几台泵。4号泵出口处压力明显低于其他几台泵。可见，4号泵的稳定性优于其他几台泵。

l282420161284O270。

图4 压力均方根值分布Fig．4 Distribution of pressure RMS value表 5 泵进出口压力均方根值Table 5 RIVIS ofpumpinlet and outletpressures Pa3．3 叶轮的4因素对离心泵外特性的敏感性分析叶轮的4因素对离心泵的外特性都有不同程度的影响，笔者采用 sTATISTIcA进行敏感性研究，将各因素对泵性能的影响进行量化。

通 过 STATISTICA中 的 Experimental Design模块进行析因分析。考虑过程的主要独立 因素有叶轮直径 (因素 1)、叶片出口角(因素 2)、叶片包角(因素 3)和叶片数量(因素 4)，非独立因素有效率、轴功率 、扬程和叶轮扭矩。选择二次模型无交互作用，试验结果用 ANOVA来分析处理，并作 Pareto图表明独立因素对非独立因素的定量影响。

分析结果见图5。从图 5中可看出：各因素对效率的影响由大到小的顺序为：因素2、因素3、因素1、因素 4；各因素对轴功率的影响由大到小的顺序为：因素 3、因素4、因素2、因素 1；各因素对扬程的影响由大到小的顺序为：因素 3、因素 2、因素 1、因1号泵2号泵4号泵7号泵8号泵9号泵素4；各因素对叶轮扭矩的影响由大到小的顺序为：因素 3、因素4、因素2、因素 1。

出口角和包角对离心泵的外特性有较大影响，在提高泵的效率和扬程问题上，应该充分考虑这 2个因素的影响，通过改变包角和叶片出口角的大小来提高离心泵扬程和效率。同时包角和叶片数量则对轴功率和叶轮扭矩有一定的影响。

4 结论1)满足设计扬程要求的分别是 1、2、4、7、8和9号泵。其中4号泵无论是在效率还是轴功率上的表现都比较优秀。2号泵和 7号泵的湍动能分布较均匀，但 4号泵的湍动能 k值 明显 比其他泵小。

2)各泵压力在蜗舌处的时均值较小，而扫过蜗舌进入流道后压力迅速增大。4号泵的压力均方根值最小，其次为9号泵，而 2号泵均方根值最大，这第 5期 江振兴等：基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析 119辍2．82．42．01．61．20．80．44．675．480．9：因素(a)效率结果评价Z．012．o90．981．31：3 4因素(c)扬程结果评价鲁因素(b)轴功率结果评价一 2．82533：图 5 因素分析 Pareto图Fig．5 Pareto diagram of factor analysis表明4号泵压力脉动最小，9号泵次之，2号泵最大。

因此4号泵的稳定性最好。

3)析因分析结果表明，叶片出口角对离心泵效率的影响最大，而叶片包角对离心泵轴功率、扬程和叶轮扭矩的影响最大。

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