分流叶片对离心泵径向力特性的影响

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为解决低比转速离心泵效率低、流量扬程曲线易出现驼峰及易过载等问题，常采用分流叶片偏置设计法。目前，针对分流叶片偏置设计法的研究主要集中在参数优化设计 、内流场数值模拟和 PIV OH，0试等方面。Mustafa等通过性能实验研究了深井泵中分流叶片对性能的影响规律。袁寿其与陈松山等 通过正交试验揭示了分流叶片对泵性能的影响，为分流叶片的设计提供依据。袁寿其等 对带分流叶片离心泵内流厨行了数值模拟和 PIV测试，揭示 了分流叶片对离心泵内流场中射流-尾流”结构的改善作用。

耿少娟等 通过非定常数值分析，讨论了不同叶片形式对水泵扬程、进出口压力波动的影响规律。张金风等 6 通过多因素正交设计方案的数值预报和实验研究，初步揭示了分流叶片的添置对改善射流-尾流”结构以及提高离心泵性能的机理。由此可以看出，目前有关分流叶片的添置对离心泵内部非定常流动及其诱导产生结构振动特性的影响规律及其研究还不够深入。

具有螺旋形压水室的泵，在运行时会在叶轮上产生径向力。由于螺旋形压水室是按设计流量设计的，收稿 日期：2012-10-23基金项 目：国家 自然科学基金项 目(51009072)；江苏省 自然科学基金项 目(BK2010347)；江苏 大学 人才科 研启 动资 金项 目(08JOG040)作者简介：张金风(1981-)，女，内蒙古赤峰人，助理研究员，博士，(E- mail)sparowzjf###126.com。

· 181·此刻液体在叶轮周围压水室中的速度和压力是均匀的、轴对称的，理论上无径向力作用 ；但是，当泵在非设计流量工况下运行时，叶轮和蜗壳相互协调的条件遭到破坏，使得叶轮周围流体的流动速度和压力分布变得不均匀，因而产生了径向力-， 。

径向力使泵轴受交变应力，产生定向的挠度，造成泵轴的振动，其大小直接影响泵的结构振动特性以及运行稳定性l8 J。此外 ，径向力的作用会使轴封问隙变得不均匀，而轴封间隙过大是导致某些泵泄露的主要原因。因此 ，展开对离心泵径向力的研究是十分必要的。

本文采用 ANSYS-CFX软件，对具有不同分流叶片设计的离心泵进行了三维全流场非定常数值模拟。

分析了有/无分流叶片、分流叶片进 口直径以及分流叶片周向偏置度对离心泵径向力特性的影响，为深入研究分流叶片对离心泵内流动诱导振动及运行稳定性的影响规律提供了理论基矗1 数值计算模型及方法1.1 计算模型模型泵为 IS50-32-160，其性能参数为：流量 Q/m。·h～：12.5扬程 H/m：32转速 n/r·rain～：2 900比转速 ：47配套功率 P/kW：3叶轮：闭式叶轮2013年 10月 农 机 化 研 究 第 10期布不均匀而引起的。小流量工况下的径向力大于大流量工况。此外 ，非设计工况时径向力方向变化呈对称性分布，且大流量工况时局部有明显的回旋现象。

2.2 有/无分流叶片对径向力特性的影响图3为不同工况下作用在方案 4和方案 4-106叶轮上的径向力时域图。由于受到叶轮与蜗壳动静干涉的作用，作用在方案 4和方案 4-106叶轮上的径向力脉动均呈明显的周期性。在 1个周期内，方案 4的径向力脉动出现4个波峰波谷，而方案 4-106的径向力脉动则出现 8个波峰波谷，这与分流叶片与蜗壳隔舌间的动静干涉作用有关。由图 3可知，小流量工况下，方案 4-106的径向力略大于方案 4；设计工况下，方案 4-106的径向力大于方案 4；大流量工况下，方案4-106的径向力明显小于方案4。

12 .0；V、/V 4-1.60O 8Li面 --丽 b-I哺丽--研丽--丽 O5. 、4-106-0.80- 二S图3 不同工况下方案4与方案4-106径向力时域图Fig.3 Radial force fluctuations on the impeller of scheme 4 andscheme 4-106 under difierent conditions图4为不同工况下作用在方案4和方案 4-106叶轮上的径向力频域图。

flHz图4 不同工况下方案4与方案4-106径向力频域图Fig.4 Frequency spectra of radial force on the impeller of scheme 4 andscheme 4-106 under difierent conditions由图4可以看出：不同工况下，方案4和方案 4-106的径向力脉动幅值都很小，且脉动均以叶片通过频率为主(即 193.3Hz和 386.7Hz)。在小流量工况下，方案 4-106和方案 4的脉动幅值大小相当；在设计工况下 ，方案 4-106的脉动幅值大于方案4；在大流量工况下，方案 4-106的脉动幅值小于方案4。这说明，分流叶片的添置有利于叶轮出口流体速度和压力分布的均匀性，从而改善了作用在叶轮上的径向力。

2.3 分流叶片进口直径对径向力特性的影响图5为不同工况下作用在方案 4-96、4-106、4-116叶轮上的径向力时域图。通过比较可以看出，不同分流叶片进 口直径对叶轮径 向力大邪脉动的影响不同，其中方案4-106与 4-116的脉动波形较为-致，与方案 4-96的波形存在相位差。小流量和设计工况下，方案4-106和方案 4-116的径向力略大于方案4-96；大流量工况下，3个方案的径向力大小相当。

0.085 0.090 0.095 0.100 0.1054.964-1O64-1160.085 0.090 0.095 0 100 0.1050.0115 0.090 口。095 0.1O0 0.105t，s图5 不同工况下方案4-96，4-106，4-1 16径向力时域图Fig.5 Radial force fluctuations on the impeler of scheme 4-96 .4-106and 4-1 I6 under difkrent conditionsLI-，从图5还可以看出：小流量工况下，3个方案的径向力脉动幅值相当；设计工况下，方案 4-96的径向力脉动幅值最小，方案 4-116的脉动幅值最大，即径向力脉动幅值随着分流叶片进 口直径的增大而增大；大流量工况下，方案 4-106和方案 4-116的径向力脉动幅值均小于方案4-96，其中，方案4-106(即D j106mm)的脉动幅值最校不同工况下，作用在方案 4-96，4-106和 4-116叶轮上的径向力矢量图如图6所示。由图6可知，方案 4-106和方案4-116的矢量分布图较为相似，与方案4-96存在角度差，说明作用在方案4-106和方案4-116叶轮上的径向力大邪变化方 向较为-致。

· 183·0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O O 8 6 4 2 O 8 2 1 1 1 1 1 O O 1 1 1 O O O O 2 1 1 1 1 1 O 2013年 10月 农 机 化 研 究 第 10期脉动情况。

小流量及设计工况下，随着分流叶片进 口直径 的增大，叶轮的径向力增大，径向力脉动幅值也增大；大流量工况下，径向力的大小受分流叶片进口直径的影响较小，但其径向力的脉动幅值受分流叶片进 口直径的影响较大，其中方案4-106(D 106mm)的脉动幅值最校4)非设计工况下，带偏置分流叶片设计的方案4- 106，其径向力脉动幅值小于带不偏置分流叶片设计方案 4-106-2，二者的脉动规律类似。