轻载型轴流泵的流场分析和叶型优化

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Numerical Simulation on Flow Performance and Blade Profile OptimalDesign of Light Load Type Axial Flow PumpZHANG Yu ， GUAN Ren.wei ， AN W ei ， XU Feng(1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Wuxi Pump Manufacturing Co.，Ltd，Wuxi 214122，China)Abstract：Using a commercial software Numeca Fine/Turbo， a numerical algorithm is presented to simulatethree-dimensional turbulent flow for a light load type axial flow pump impeller，including the impeler，the guide vaneand the bend pipe under diferent conditions.Through analyzing the axial flow pump internal flow characteristics，wefind out the flow lOSS of the original mode1.such as vast voexes areas and wall flow separations.Furthermore，we usethe Numeea/Design3D software to optimize the parameters and to redesign the blade profile.The results show thatchanging the pressure and suctione lines CaN efectively control the blade of the swirl，resulting in the vortex and flowloss reduction and increasing the eficiency of the impeller hydraulic lift。

Key words：mobile station，axial flow pump，flow field simulation，blade optimization，numeca software目前我国广大地区的水利抽排水工程、城市防汛工程，以及乡村防洪抗旱工程等，大多采用固定泵站。其特点是容量大，投资大，建成后固定在确切位置来完成送水功能。但有许多防汛抗旱或需临时排水诚没有固定泵站，这时机动灵活的移动泵站是对固定泵站最好的补充 ，在很多情况下具有固定式泵站无法比拟的优势。但应急抢险移动泵站相对于固定式泵站受到了很多的限制，不能发挥其所有性能。因此，对应急抢险移动泵站用轻载型轴流泵的设计与优化，研究轴流泵内叶轮导叶的流锄理，对其效率、扬程等性能进行深入研究，以提高其性能指标，不仅具有理论意义，更具有实际的应用收稿 日期 ：2012-09-21； 修订 日期 ：2012-09-29。

作者简介：张 宇(1988-)，男，江苏连云港人，机械工程专业硕士研究生。

通信作者：安 伟(1967-)，男 ，江苏无锡人，工学博士，副教授 ，硕士生导师。主要从事汽车尾气净化技术 、检测与控制技术、振动与噪声控制研究。Email：anwei###jiangnan.edu.cn第 1期 张 宇等：轻载型轴流泵的流场分析和叶型优化 63静压/Pa300 000200 000100 0000- lO0 000图 l1 优化样本Fig.11 Optimization sample图12和图 13为叶根、叶顶截面上的叶片优化前后的叶型图。

图12 优化前后叶根处叶型的对比Fig.12 Molded lines of blade root between originalimpeller and best impeller图 13 优化前后叶顶处叶型的对比Fig.13 M olded lines of blade tip between originalimpeller and best impeler从以上两图可以看出，压力面和吸力面的型线发生了变化。

表 1为优化前后原型叶轮和最优叶轮总体性能参数的对比。

表1 原型叶轮、最优叶轮对比Tab.1 Numerical simulation results comparisonbetween original impeler and best impeller可以看出，在设计工况下，优化设计后叶轮的水力效率相对提高了2.73%，扬程提高了 8.83%，表明最优叶轮的水力性能要大大好于原型叶轮。

改进叶型后，原叶轮叶片在吸力面根部形成的流动分离和漩涡基本消失，流道中的通道涡和出口处冲击受到抑制，叶根进口处的相对速度矢量分布趋于合理，近壁区域流动趋于良好，叶轮的水力效率得到很大的提升，说明改型措施正确有效8 。文中的优化设计证明，控制叶轮压力面和吸力面的型线可以控制叶片出口边的马蹄涡，消除近壁面流动分离和漩涡，减小流动中的通道涡强度和影响范围，提高轴流泵整体的水力效率。

3 结 语1)运用 Numeca软件 中的前处理拈 igg、autogrid5，计算拈 Fine/trubo，对轻载型轴流泵进行了全流道的三维数值模拟，数值模拟的结果与试验数据较好吻合，证明了文中针对该型轴流泵所选用的数值模拟方法和计算模型的准确性和可靠性。

2)根据模拟的结果，分析了流动中存在的问题，探讨了叶轮叶型结构的不合理处，提出了改进的方法，利用 design3D对叶型进行了优化设计，优化效果明显。在水力效率相对提高 2.73% 的同时，水泵的扬程也大大增加，原型叶轮中存在的漩涡和壁面脱离现象基本消失，叶根进口冲击和流道涡团影响范围减弱，叶轮的水力性能显著提高。

3)研究表明，漩涡和流动分离是高比转速、高扭曲轴流式叶轮损失的主要原因，验证了通过改变压力面和吸力面的叶型形状，可以控制流道内各个涡团的形成和结构，减序者消除流道内不必要的流动损失，提高轴流泵叶轮的水力性能。

4)针对当前国内外对轻载型轴流泵叶轮叶型优化的相关研究较少的情况，提出泵叶轮叶型优化的方法，完善了轴流泵的设计和优化方法。