叶轮室及轮毂形状对轴流泵水力性能影响的CFD分析

摘要

轴流泵叶轮是轴流泵的主要工作部件，其性能直接影响着轴流泵的工作性能。而叶轮的结构参数对轴流泵的能量和汽蚀性能有很大的影响。模型试验中的模型泵，因需要调节其叶片安放角度，遂其轮毂及叶轮室为球面结构。但大多工程实际中的中小型轴流泵不需要调节叶片安放角，因此可考虑将轮毂或叶轮室设计为圆柱面结构，以降低经济成本，提高安装便捷性。
　　本文基于RANS方程和RNG k-ε紊流模型，应用CFD技术，采用几何造型软件ICEM、TurboGrid和workbench对轴流泵装置进行建模和网格剖分，并在此基础上用三维流体计算软件CFX对泵段内部的三维不可压缩流场进行数值分析，计算不同叶轮室和轮毂形状的情况下，泵装置的外特性变化规律。经过CFX-Post的后处理分析得出：⑴轮毂比不变的情况下，轮毂形状不变，叶轮室由球形改为圆柱形，在同流量下，轴流泵的扬程和效率增加，最高效率向大流量偏移；⑵叶轮室由球形改为圆柱形后，由于其过水断面增大，轴向速度减小，根据速度三角形，相当于水流液流角变小，冲角增大，翼型升力增加。相当于叶片安放角增大，所以扬程增大，效率也增大向大流量偏移，所以叶轮室外壳形状变为圆柱形与叶片安放角变大所引起的扬程和效率的变化相类似；⑶基于结论1，将轴流泵的叶轮直径缩短至297mm时，其水力性能基本与原模型泵zm50保持一致；⑷叶轮室外壳保持直径为300mm的圆柱形，当轮毂进口形状改为渐缩状时，水泵的扬程和效率增大，最高效率向大流量偏移，且最高效率提升约1.6％；⑸将叶轮室外壳改为直径为297mm的圆柱形，轮毂形状选取渐缩段时，其水力性能与zm50最为接近；⑹轮毂出口段为圆柱时，较之收缩的轮毂出口段而言，轴流泵的效率增大。最优工况点效率提升约1.6％；⑺叶轮室外壳为球面时，在高扬程处性能有改善，效率有所提高。