不同导叶高度对水泵性能影响研究

耿 博，刘德民，何海平，朱 强，李国凤

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

0 引言

近年来，水资源时空分布不均、水旱灾害频发、水环境严重污染以及水生态系统退化等问题日益突出，尤其是水资源时空分布不均以及水旱灾害频发已升级为严重的社会问题[1]，为了保障社会经济稳步发展与生态环境相协调，建立合理的水资源调配及高效利用体系迫在眉睫，大型立式离心泵功率较大能耗极高，尤其是在长距离调水及灌排工程中，机组年运行时间长，因此不符合节能低碳的战略目标。此外，该类泵对性能指标要求较高，运行的工况范围要求较广[2-7]，由于该类泵水力部件较复杂且各部件间的匹配性不够高，因此在多工况下的水力性能参数尚有较大提升空间，尤其是研究如何在设计工况下提升泵的水力效率将对节能低碳工作具有重要意义[8-14]。

作者在对某泵站开发过程中，进行了不同导叶高度对水泵性能的影响研究，导叶高度为水泵设计中极为重要的一项参数，因此对其进行研究具有非常重要的意义。

1 数值计算模型

1.1 计算物理模型

东方电机为水源泵站开发的物理模型包括4 部分：泵壳、固定导叶、叶轮、进水管。针对不同固定导叶高度的研究，只需进行导叶与叶轮之间的相关研究，所建物理模型如图1 所示，导叶数量为13 个，叶轮数量为9 个。

图1 研究对象物理模型

针对研究对象均具有周期性特点，在数值模拟计算时采用单流道方式对其进行研究，所建计算模型如图2 所示。

图2 CFD 计算模型图

1.2 湍流模型及边界条件设置

数值模拟计算需选取合适的湍流模型，湍流模型是使控制方程封闭可解的一组代数方程或微分方程。综合考虑现有湍流模型的应用情况和数值计算对计算机硬件的要求，应用比较多的湍流模型有标准k-ε、k-ω 和SST 模型。本文采用SST 模型，其对旋转流动具有较准确的分析计算模式。

边界条件设置：

（1）出口边界条件给定为相应工况下的质量流量；

（2）进口边界条件给定为平均静压为0；

（3）固壁设定为无滑移边界；

（4）旋转域（叶轮）与固定域（导叶以及进水管）之间的交界面，在计算中采用Stage Interface 模型（也叫Mixing Plane 模型）。

2 设计方案及结果讨论

2.1 设计方案

本次设计3 种导叶高度方案，以方案B 为基础，A 方案导叶高度减小10 mm，C 方案导叶高度增加10 mm。

表1 导叶高度方案设计表

2.2 结果讨论

通过CFD 计算，得到了不同导叶高度对泵效率的影响，从图3 可以看出，随导叶高度增加，最优效率点向大流量进行移动，且小流量效率逐渐降低，大流量效率逐渐升高。

图3 效率变化图

图4为流量扬程曲线随不同导叶高度变化情况，从图中得到，随着导叶高度增加，流量扬程曲线的斜率逐渐变小，趋于平缓，且随着导叶高度增加，驼峰性能在逐渐变差，驼峰低点掉的更深，驼峰出现的位置更早，箭头指向位置为驼峰低点，曲率发生变化位置为驼峰开始出现位置，驼峰低点越低，曲率变化出现位置越早，驼峰性能越差。

图4 扬程变化图

图5为空化性能NPSH 曲线图，从图中得到，随着导叶高度增加，整体空化性能变化较小，在大流量和小流量区间内，出现差距，是由于扬程-流量曲线变化引起的，NPSH=空化系数×扬程；导叶高度越高，扬程-流量曲线越平缓，泵站运行所需范围会越大，空化系数变大，相对空化性能会变差。

图5 NPSH 变化图

2.3 模型试验结果验证

本文对于不同高度的导叶进行了模型试验验证，采用方案A 和方案C 进行对比，结果如图6 所示。结果表明：导叶高度增加，最优效率位置向大流量移动，小流量效率会降低，大流量效率增加；流量-扬程曲线斜率会变缓，驼峰深度会增加，驼峰位置会提前出现，对空化影响不大。

图6 试验结果验证图

2.4 流场特征

图7中列举了3 种方案最优工况叶片和导叶的压力云图、流线图。从图7 中得到，3 种方案压力分布比较均匀，压力梯度变化较为平缓，没有出现极端压力变化情况。

图7 导叶及叶片压力云图

图8为导叶及叶片流线图，得到流体从进口到出口，整个流道内流动较为平顺，速度分布均匀、压力分布均匀、变化梯度合理，没有明显的漩涡及脱流现象，流线与叶片贴合度较好。

图8 导叶及叶片俯视流线图

3 结论

本文通过CFD 和模型试验相结合技术手段对大泵不同导叶高度变化对其性能影响进行了研究，得出以下结论：

（1）随导叶高度增加，大泵最优效率位置向大流量移动，小流量效率会降低，大流量效率增加。

（2）随导叶高度增加，流量-扬程曲线斜率会变缓，驼峰深度会增加，驼峰位置会提前出现。

（3）随导叶高度增加，整体空化性能变化较小，由于扬程-流量曲线变缓，泵站运行所需范围会变大，相对空化性能会变差。

（4）从速度场和压力场分析，不同导叶高度对最优工况流体流动影响较小。