為提高水泵的效率，提出了采用高效、泄漏損失小的閉式葉輪，配套設(shè)計(jì)空間導(dǎo)葉。本項(xiàng)目水力部件是2種葉輪和4種導(dǎo)葉體進(jìn)行組合，有8種水力設(shè)計(jì)方案。利用CFD分析工具進(jìn)行潛水混流泵水力性能預(yù)測(cè)，篩選確定了最優(yōu)水力設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)樣機(jī)。

一、前言

　　潛水混流泵水力部件包括葉輪和導(dǎo)葉體。通常的水力設(shè)計(jì)方法是利用已有的干式混流泵開(kāi)式葉輪的水力模型進(jìn)行相似換算，得到實(shí)際泵葉輪水力圖并且重新設(shè)計(jì)導(dǎo)葉體。這樣的設(shè)計(jì)方法缺點(diǎn)在于：干式泵導(dǎo)葉出口是一個(gè)很細(xì)的軸，而潛水泵出口是潛水電動(dòng)機(jī)，干式泵水力模型并不符合潛水泵的流體規(guī)律。開(kāi)式葉輪葉片和輪轂是分開(kāi)鑄造加工，后期組裝，加工精度要求高。這樣生產(chǎn)的水泵測(cè)試水力效率低，高效區(qū)窄，流量達(dá)不到指標(biāo)�，F(xiàn)有一工廠工藝取水提升泵，要求水泵高效節(jié)能，流量大，高效區(qū)寬。如使用現(xiàn)有的水力模型必然滿足不了要求，必須重新設(shè)計(jì)高效的潛水混流泵。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多個(gè)水力設(shè)計(jì)方案，為減少開(kāi)模費(fèi)用和周期，利用CFD分析工具進(jìn)行水力性能分析預(yù)測(cè)篩選，確定最優(yōu)化的水力設(shè)計(jì)方案。潛水混流泵樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

　　流量：2000m3/h;設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程：8.5m;轉(zhuǎn)速：735r/min;水泵效率：≥75%;配套電動(dòng)機(jī)功率：≤75kW。

二、潛水混流泵水力部件設(shè)計(jì)方案

　　1.潛水混流泵葉輪設(shè)計(jì)

　　在參考優(yōu)秀的混流泵水力模型的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計(jì)高效的閉式固定葉片的混流泵葉輪。葉片輪轂整體鑄造，葉輪有前后蓋板。這樣避免了泄漏損失，易于生產(chǎn)加工。葉輪葉片數(shù)采用4片和5片兩個(gè)水力設(shè)計(jì)方案，葉輪葉片使用扭曲三角形設(shè)計(jì)方法。

　　2.潛水混流泵導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

　　潛水混流泵導(dǎo)葉采用空間導(dǎo)葉，空間導(dǎo)葉和其他導(dǎo)葉類似，尤其是和流道式導(dǎo)葉更相似�？臻g導(dǎo)葉起到整個(gè)壓水室的作用，將葉輪出口處的液體收集起來(lái)輸送到出水管路，同時(shí)將速度能變?yōu)閴毫δ��？臻g導(dǎo)葉繪型采用扭曲三角形法。

　　長(zhǎng)導(dǎo)葉葉片比較長(zhǎng)。短導(dǎo)葉葉片較短，導(dǎo)葉葉片距離導(dǎo)葉體出口預(yù)留水流擴(kuò)散的距離。本項(xiàng)目導(dǎo)葉體一共4種設(shè)計(jì)方案：791翼型加厚長(zhǎng)導(dǎo)葉、圓弧翼型加厚長(zhǎng)導(dǎo)葉、791翼型加厚短導(dǎo)葉和圓弧翼型加厚短導(dǎo)葉。

　　3.設(shè)計(jì)方案

　　按照2種葉輪和4種導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方案進(jìn)行組合得到8種水力設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表1。

表1 水力設(shè)計(jì)方案

　　8種水力設(shè)計(jì)方案如果每個(gè)都要開(kāi)模制作樣機(jī)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高。現(xiàn)在利用CFD分析預(yù)測(cè)水泵的性能，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)周期和費(fèi)用。

　　4.利用CFD分析進(jìn)行水泵性能預(yù)測(cè)

　　潛水混流泵內(nèi)部為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)。利用CFD分析工具對(duì)該泵水力部件進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析，對(duì)設(shè)計(jì)的潛水混流泵進(jìn)行水泵性能預(yù)測(cè)。求解器為ANSYSCFX12.1，定常求解，計(jì)算選用Standardk-湍流模型，收斂精度為1.0×10-4。8種水力設(shè)計(jì)方案最優(yōu)工況點(diǎn)CFD性能預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各方案CFD計(jì)算結(jié)果

　　根據(jù)8種水力設(shè)計(jì)方案達(dá)到設(shè)計(jì)流量點(diǎn)高效點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果分析如下：方案A～D(即4葉片的葉輪)比方案E～H(5葉片的葉輪)效率要高，5葉片的水力方案比4葉片揚(yáng)程偏高。方案A在設(shè)計(jì)流量Q0=2000m3/h時(shí)，CFD預(yù)測(cè)的揚(yáng)程為8.79m，預(yù)測(cè)最高效率為83.25%，預(yù)測(cè)值扣除擴(kuò)散損失及容積損失及加工誤差可得實(shí)際綜合效率78%左右，要求設(shè)計(jì)揚(yáng)程8.5m基本符合設(shè)計(jì)工況點(diǎn)在高效點(diǎn)，該方案CFD計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 CFD預(yù)測(cè)得到方案A的水泵性能參數(shù)

三、結(jié)語(yǔ)

　　1)CFD分析應(yīng)用在潛水混流泵水力設(shè)計(jì)中能夠降低設(shè)計(jì)周期成本，可通過(guò)模擬流態(tài)和數(shù)據(jù)分析篩選優(yōu)秀的水力模型。

　　2)潛水混流泵閉式葉輪相對(duì)于常用的開(kāi)式葉輪能減少了葉輪的泄漏損失，改善了水泵的流態(tài)，提高了潛水泵的水泵效率。

　　3)潛水混流泵葉片數(shù)越多，達(dá)到設(shè)計(jì)點(diǎn)流量、揚(yáng)程越高，葉輪出口速度增大，水力損失增大，效率下降。

　　4)潛水混流泵的導(dǎo)葉選擇長(zhǎng)導(dǎo)葉和短導(dǎo)葉對(duì)水泵的效率影響不大，導(dǎo)葉葉片的長(zhǎng)短可根據(jù)水泵結(jié)構(gòu)的需要來(lái)確定。

　　5)導(dǎo)葉葉片采用791翼型原理加厚，水力效率稍高，但和圓弧翼型加厚效果相差不大。