葉輪蓋板切割對中低比轉速離心泵水力性能的影響（上）
摘 要：通過數值計算和實驗研究了采用新方法 - 泵葉輪蓋板切割（PIST）來改造泵葉輪對流場和泵性能的影響。本研究的主要目的是研究輸送單相液體離心泵在中低比轉速下的水力性能，該泵通過PIST方法進行了改進。在這種類型的蓋板切割中，不同的切割尺寸僅適用于閉式葉輪的蓋板，而輪轂和葉片的幾何形狀（直徑）保持不變。這種改進增加了葉輪和殼體之間與蓋板側的間隙，為泵送含有未溶解氣體的流體創造了理想的條件。計算流體動力學軟件（ANSYS-CFX）用于預測離心泵的水力性能。兩個著名的湍流模型，即重整化群（RNG）k-ε模型和剪切應力輸運（SST）k-ω模型，用于預測流型。通過實驗和非定常數值模擬與穩態數值數據的對比，驗證了計算結果。在確保流場模擬方法的準確性后，通過改變葉輪蓋板直徑對兩臺泵進行進一步的數值分析。綜合研究了幾何變化對性能曲線、效率、流場、泵內部壓力分布以及作用于兩種泵類型的徑向力的影響。結果表明，蓋板切割降低了設計點的揚程和效率。對施加在旋轉部件上的徑向力的檢查表明，在兩種泵類型中，由于葉輪出口周圍缺乏均勻的壓力分布，蓋板切割的葉輪比閉式葉輪承受更高的徑向力。因此，將獲得的相關信息用于修改現有系數以預測徑向力。
關鍵詞：離心泵；蓋板切割；實驗研究；CFD；性能影響
1. 前言
葉輪切割是一種特殊技術，它可以減小離心泵葉輪的直徑，使葉輪在相同轉速下具有更小的直徑。在某些條件下，切割葉輪會使葉輪出口處的切向葉尖速度降低，從而使泵的工作狀態符合系統的要求，這也可以減少泵送系統的過度噪音或振動。葉尖速度降低的過程會導致傳遞給通過液體流的能量減少，從而導致泵產生的出口流量和揚程下降（Karassik, 1989; Tsang, 1992; Hydraulic Institute and US Department of Energy, 2006）。考慮到相似定律，切割方法必須滿足幾何和運動學的相似性。然而，葉輪切割改變了相似定律的非線性，到目前為止，葉輪切割與其遵守這些定律之間沒有定量關系（Li，2011）。圖1顯示了應用于徑向葉輪的不同的眾所周知的典型切割方法（Gülich，2007）。該圖顯示了五只已經切割的葉輪。除了賦予的切向動量的變化外，切割還可以在葉輪葉尖和殼體之間提供了更大的間隙。
a）連同蓋板一起切割（蝸殼泵）
b）僅切割葉片（擴散體泵）
c）單吸葉輪斜切
d）雙吸葉輪斜切
e）連同蓋板一起切割
圖1：不同葉輪切割方法示意圖（Gülich，2007）
本研究的主要目的是，檢查中低比速離心泵僅切割葉輪蓋板的情況下對泵性能及徑向力的影響。這種特殊類型的葉輪切割，稱為泵葉輪蓋板切割（PIST），不會對葉輪子午面產生任何重大變化（圖 2）。
a）Ns = 10的泵
b）Ns = 24的泵
圖2：泵葉輪蓋板切割（PIST）示意圖
實際上，通過蓋板的切割，為葉輪出口處的液體流動提供吧額外的空間，改變了常規徑向葉輪流道（圖 3）。改變了葉輪蓋板側和泵蝸殼之間的空間，從而改變了泵的水力性能。由于不同葉輪的泵形狀不同，具有低【二維（2D）葉輪輪廓】和中等【三維（3D）葉輪輪廓】比轉速，因此在每種情況實施蓋板切割的效果會有所不同。
a）低比轉速泵（PIST），Ns = 10
b）PIST，Ns = 24
圖3：蓋板切割為流體通過提供了額外的空間（葉片到葉片和子午視圖）
葉輪出口處擴大的可用空間可能為兩相（液-氣）流體流動提供了理想的泵送條件。作為研究這種流體流動域的先決條件，應研究這些新幾何形狀的單相流體流動，以適當了解這些幾何形狀中兩種泵類型的水力性能。在未來的研究中，將研究實施PIST對泵送含有未溶解氣體的流體可能產生的有益影響。
如前所述，由于通過泵的液體流動模式的變化，例如葉輪流道和蝸殼中渦流的能量和大小的變化，PIST會導致泵性能的變化。不良渦流是造成揚程損失、流動模式不均勻和滑移的原因。關于渦輪機械二次流的大量實驗和數值研究，本文回顧了以前與該情況有關的一些研究。離心泵中渦流最明顯的結果之一是“射流和尾流”現象（Cheshire，1945年；Hamrick等人，1954年；Olivari和Salaspini，1975年）。離心葉輪的出口流量和該區域速度分布的不均勻性是這些研究人員研究的主要問題。盡管離心泵葉輪出口處的射流和尾流現象通常是不可避免的，但葉輪流道中渦流的存在加劇了這種現象。
圖4：葉輪和相關幾何參數（Ns = 10的泵）
Gruver等人（1996年）和Brun等人（1994年）在混流泵中觀察到強烈的二次流。此外，一些研究人員還研究了其它類型的渦輪機械幾何形狀中的類似二次流。例如，Moore（1973a，1973b）使用探頭來確定旋轉徑向流道中的二次流場。在這項研究中，將獲得的結果與潛在流動方法的預測進行比較，結果顯示出可接受的一致性。幾位研究人員（Hawthorne，1951；Kelleher等人，1980；Sanz & Flack，1986年）研究了靜止圓形和矩形彎管中的二次流。推導了葉輪機械中流向渦和二次流的一些分析模型（Hill，1962年；Horlock和Lakshmina-rayana，1973年；Lakshminalayan和Horlock，1973年；Smith，1957年；Wu等人，1952年）。后來，這些模型被用來預測旋轉彎道中的二次流（Johnson，1978年）。計算流體動力學（CFD）促進了通過離心泵計算流場及其設計的進展。一些研究人員試圖弄清楚離心泵內部的流場，以優化離心渦輪機械的設計。例如，Asuaje等人（2005年），Majidi（2005年），Huang和Wu（2006年）和Zhang等人（1994年）研究了離心泵中的流場，并使用CFD方法進行了參數研究。
蓋板切割的另一個重要影響是徑向力的變化，徑向力是軸承和軸上載荷的主要來源之一，其次是導致振動的軸偏移。當泵在BEP之外運行時， 葉輪出口處靜壓的外圍分布不均勻， 這放大了不希望的徑向力。已經進行了大量研究，以表明幾何參數如何影響徑向力（Girdhar，2005年；Gülich，2007年）。Stepanoff（1992年）提出了估算徑向力的經驗關系，這在泵設計的初始階段非常有用。基于對16臺低比速泵的研究，Agostinelli等人（1960年）提出了一種預測徑向力的關系式，該關系式隨后得到了發展（Hydraulic Institute，2009年）。通過將所獲得的穩態數值結果與本研究中同時獲得的非穩態數值結果和實驗數據進行比較，驗證了所采用的方法的有效性。
本研究的主要目的是分析葉輪蓋板切割引起的揚程減小值，并研究中低比轉速泵的效率和徑向力的變化。
在本研究中，使用定常（穩態）數值模擬來模擬通過每臺泵的液體流動。為了確保結果的準確性，對四種情況（在BEP和低于BEP的流量下）進行了非定常（非穩態）數值模擬和實驗測試。本研究的主要重點是泵揚程和效率的變化，施加在旋轉部件上的壓力以計算徑向力，以及修正的相關性以預測帶有切割蓋板葉輪的泵中的徑向力。研究的另一個目的是呈現流線，以分析每種情況下渦流強度和流動分離。此外，還對中、低比轉速泵的葉輪蓋板切割效果進行了比較，以更好地了解葉輪蓋板切割對所研究泵水力性能的影響。
2. 幾何形狀
與Ns=10的閉式葉輪的泵相關的主要幾何參數如圖4所示。表1總結了與所研究的泵（Ns=10和24）相關的設計工況及水力參數。
表1：Ns=10和Ns=24的閉式葉輪泵在最佳效率點的主要水力參數。
在初步研究中，發現必須給出揚程系數（ψ）和流量系數（φ）。這里，D2、Q、ω和H分別表示葉輪的外徑、流量、泵的轉速和泵揚程。通過考慮本工作中的特殊幾何形狀（僅切割葉輪蓋板），平均出口直徑由公式（1）計算：
揚程系數（ψ）和流量系數（φ）分別為：
表2顯示了Ns=10和24的泵的蓋板切割百分比。例如，為了避免混淆，圖5中只顯示了通過PIST方法所改變的泵葉輪（Ns=24）的一些幾何形狀。
表2：每個研究案例中葉輪蓋板切割的百分比
圖5：減小泵的蓋板直徑（Ns=24）
3. 實驗裝置
試驗臺及其配置如圖6和圖7所示。圖8顯示了比轉速為24的泵的完整葉輪和蓋板切割后的葉輪，這些葉輪與實驗研究有關。標題中給出了每個葉輪的詳細信息。應該注意的是，在PIST方法中，每個葉輪的輪轂和葉片形狀保持不變。
圖6：試驗臺示意圖
圖7：(a) 提供的試驗臺；(b-e) 測量裝置；(b) 流量計；(c) 流量計；(d) 入口壓力表；(e) 出口壓力表
(a) 完整的葉輪
(b) 蓋板切割5%的葉輪
(c) 蓋板切割10%的葉輪
圖8：實驗室葉輪蓋板切割階段（比轉速為24的泵）
試驗臺由兩只閥門、一臺已安裝的泵以及壓力和流量測量裝置組成。壓力變送器的滿量程精度為±0.5%。為了提高測試的測量精度，在一定的流量下進行了多次實驗，并報告了記錄數據的平均值。使用傳統的不確定度估計方法，最大流量不確定度為±0.2%。有關實驗室測試回路的其它信息，請參見附錄1。在這項測試中，將裝置包的整個單元一起進行測試，以檢查水力或機械功能。該測試的目的是檢查整個設備在一起工作時的性能。每臺設備的振動值必須在其允許的范圍之內。
作者簡介：本文由伊朗德黑蘭大學機械工程學院M. Shadab, M. Karimipour, Amir F. Najafi, R. Paydar and S. Ahmad Nourbakhsh共同完成。
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