叶轮几何参数对离心泵性能的影响（下）
叶轮几何参数对离心泵性能的影响（下）
摘要
本文对离心泵稳态设计时叶片高度、叶片数、出口叶片角度、叶片宽度和叶轮直径等相关设计参数对稳态流动的影响进行了数值研究。本研究考虑了三种情况：叶轮、叶轮与涡壳组合、叶轮与导叶组合。借助ANSYS-CFX软件使用了具有k-ε湍流模型和标准壁面函数的连续性及Navier-Stokes方程。结果表明：所选择的关键设计参数对离心泵的性能-扬程、功率和效率都有影响。为验证所提出方法的有效性，将数值模拟结果与考虑叶轮和导叶组合的试验结果进行了比较。
本文为加拿大魁北克大学应用科学系的Massinissa Djerroud, Guyh Dituba Ngoma, and Walid Ghie三位作者所写，对离心泵过流零部件的设计具有一定的指导意义。由于篇幅较长，分为上、中、下三部分，本篇为（下）。
另外，由于泵沙龙并非专业计算人员，有些翻译可能不太准确，请朋友们包涵。
叶轮叶片数对涡壳泵性能的影响
为了研究叶轮叶片数对涡壳式泵扬程、轴功率和效率的影响，选取了叶片数分别为5、7和9片的三种叶轮，而其它参数不变。图25显示了泵扬程作为体积流量的函数，其随着叶片数的增加而增加。在保持相同的总体积流量下，随着叶轮叶片数的增加，流道中液体的压降减小。另外，如图26所示，随着叶片数的增加，泵的轴功率也随之增加，这是由于泵轴扭矩增加的要求。
此外，图27显示了整体效率曲线，表明5叶片的叶轮整体效率最低。
而图28和图29分别显示了Q=0.065 m3/s时的静态压力分布及液体流动速度矢量。从这些图中可以看出，随着叶轮叶片数量的增加，涡壳出口和叶轮入口之间的静压差增大，这证实了叶轮出口处的液体流速随着叶片数的增加而减小。如图29所示，叶片数为5、7和9片时，叶轮出口处的平均液体流速分别为16.06 m/s、15.40 m/s和12.53 m/s。
叶轮直径对涡壳泵性能的影响
选择285 mm和320 mm两种叶轮出口直径值，以便在保持其它参数不变的情况下考察其对泵性能的影响。图30显示了泵扬程随着叶轮直径的增加而增加，这可以通过叶轮中的液体静压降随着叶轮直径的增加而减小的事实来解释。换句话说，对于给定的体积流量，较大直径叶轮的涡壳出口和叶轮进口之间的压力差更高。另外，图31显示了泵轴功率随着叶轮直径的增加而增加，这是由于叶轮直径的增加轴的扭矩随之增大。
另外，图32所示的的总体效率曲线表明，体积流量大于 0.02 m3/s 时，具有大直径的叶轮拥有更高的总体效率。
导叶叶片数的影响
为了分析导叶（扩散器）叶片数对泵扬程、轴功率和效率的影响，选择了具有5、8和12叶片的三个导叶模型，而其它参数保持不变。图33显示了不同导叶叶片数下体积流量与扬程之间的关系曲线，从图中可以看出，即使在Q = 0.012 m3/h至0.055 m3/h之间导叶叶片数为8时泵的扬程最高，但总体来说导叶叶片数对泵的扬程影响较小。图34所示，导叶叶片数对轴功率的影响也较小。
此外，图35显示，对于低流量和高流量，导叶叶片数为12片时泵的整体效率最高，而导叶叶片数为5和8时的总体效率几乎相同。该图还表明，导叶叶片数为5时的整体效率最低。
同时，图36和37分别描述了Q = 0.065 m3/h时所对应的静态压力分布和液体流动速度矢量，图中清晰地显示了增加导叶叶片数量时，在导叶的出口静压差的增加和液体流速的降低之间的相关性。如图36所示，叶片数为5、8和12时，可获得导叶出口和叶轮入口之间的静压差的平均值分别为3.428×105 Pa、3.49×105 Pa和3.65×105 Pa。如图37所示，叶片数为5、8和12时，导叶出口处的平均液体流速值分别为15.13 m/s、12.22 m/s和9.06 m/s。
模型比较
由于本案的试验结果可以从Technosub Inc. 获得，因此，选择叶轮和导叶的组合进行来验证数值模拟方法。当考虑到数值模拟的试验边界条件时，就泵的扬程、轴功率和整体效率图38-40显示了试验与数值模拟结果的比较。图中所显示的差异，主要因为在数值模拟中没有考虑到损失的机械功率、由于泄漏引起的功率损耗及泵壳体等因素的影响。因此，试验所得的泵轴功率高于数值模拟下的轴功率，如图39所示。
结论
本文对三维离心泵中的稳态液体流动进行了数值研究，开发了叶轮、叶轮和涡壳组合以及叶轮与导叶组合的模型，分析了叶片高度、叶片角度、叶片宽度、叶片数量和叶轮外径等关键设计参数对泵扬程、轴功率和整体效率的影响。结果表明，随着叶轮叶片数和叶轮叶片高度的增加，泵的扬程和轴功率增大，而随着叶轮叶片宽度的增加而减小。此外，叶轮与涡壳之间的相互作用表明，在保持涡壳尺寸不变的情况下，叶轮外径的减小将导致泵的扬程和轴功率的减小。泵的总体效率也受到选择的关键设计参数的影响。观察到先进的数值模拟方法与试验结果相比较具有较好的一致性。
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