叶轮盖板切割对中低比转速离心泵水力性能的影响（上）
摘 要：通过数值计算和实验研究了采用新方法 - 泵叶轮盖板切割（PIST）来改造泵叶轮对流场和泵性能的影响。本研究的主要目的是研究输送单相液体离心泵在中低比转速下的水力性能，该泵通过PIST方法进行了改进。在这种类型的盖板切割中，不同的切割尺寸仅适用于闭式叶轮的盖板，而轮毂和叶片的几何形状（直径）保持不变。这种改进增加了叶轮和壳体之间与盖板侧的间隙，为泵送含有未溶解气体的流体创造了理想的条件。计算流体动力学软件（ANSYS-CFX）用于预测离心泵的水力性能。两个著名的湍流模型，即重整化群（RNG）k-ε模型和剪切应力输运（SST）k-ω模型，用于预测流型。通过实验和非定常数值模拟与稳态数值数据的对比，验证了计算结果。在确保流场模拟方法的准确性后，通过改变叶轮盖板直径对两台泵进行进一步的数值分析。综合研究了几何变化对性能曲线、效率、流场、泵内部压力分布以及作用于两种泵类型的径向力的影响。结果表明，盖板切割降低了设计点的扬程和效率。对施加在旋转部件上的径向力的检查表明，在两种泵类型中，由于叶轮出口周围缺乏均匀的压力分布，盖板切割的叶轮比闭式叶轮承受更高的径向力。因此，将获得的相关信息用于修改现有系数以预测径向力。
关键词：离心泵；盖板切割；实验研究；CFD；性能影响
1. 前言
叶轮切割是一种特殊技术，它可以减小离心泵叶轮的直径，使叶轮在相同转速下具有更小的直径。在某些条件下，切割叶轮会使叶轮出口处的切向叶尖速度降低，从而使泵的工作状态符合系统的要求，这也可以减少泵送系统的过度噪音或振动。叶尖速度降低的过程会导致传递给通过液体流的能量减少，从而导致泵产生的出口流量和扬程下降（Karassik, 1989; Tsang, 1992; Hydraulic Institute and US Department of Energy, 2006）。考虑到相似定律，切割方法必须满足几何和运动学的相似性。然而，叶轮切割改变了相似定律的非线性，到目前为止，叶轮切割与其遵守这些定律之间没有定量关系（Li，2011）。图1显示了应用于径向叶轮的不同的众所周知的典型切割方法（Gülich，2007）。该图显示了五只已经切割的叶轮。除了赋予的切向动量的变化外，切割还可以在叶轮叶尖和壳体之间提供了更大的间隙。
a）连同盖板一起切割（蜗壳泵）
b）仅切割叶片（扩散体泵）
c）单吸叶轮斜切
d）双吸叶轮斜切
e）连同盖板一起切割
图1：不同叶轮切割方法示意图（Gülich，2007）
本研究的主要目的是，检查中低比速离心泵仅切割叶轮盖板的情况下对泵性能及径向力的影响。这种特殊类型的叶轮切割，称为泵叶轮盖板切割（PIST），不会对叶轮子午面产生任何重大变化（图 2）。
a）Ns = 10的泵
b）Ns = 24的泵
图2：泵叶轮盖板切割（PIST）示意图
实际上，通过盖板的切割，为叶轮出口处的液体流动提供吧额外的空间，改变了常规径向叶轮流道（图 3）。改变了叶轮盖板侧和泵蜗壳之间的空间，从而改变了泵的水力性能。由于不同叶轮的泵形状不同，具有低【二维（2D）叶轮轮廓】和中等【三维（3D）叶轮轮廓】比转速，因此在每种情况实施盖板切割的效果会有所不同。
a）低比转速泵（PIST），Ns = 10
b）PIST，Ns = 24
图3：盖板切割为流体通过提供了额外的空间（叶片到叶片和子午视图）
叶轮出口处扩大的可用空间可能为两相（液-气）流体流动提供了理想的泵送条件。作为研究这种流体流动域的先决条件，应研究这些新几何形状的单相流体流动，以适当了解这些几何形状中两种泵类型的水力性能。在未来的研究中，将研究实施PIST对泵送含有未溶解气体的流体可能产生的有益影响。
如前所述，由于通过泵的液体流动模式的变化，例如叶轮流道和蜗壳中涡流的能量和大小的变化，PIST会导致泵性能的变化。不良涡流是造成扬程损失、流动模式不均匀和滑移的原因。关于涡轮机械二次流的大量实验和数值研究，本文回顾了以前与该情况有关的一些研究。离心泵中涡流最明显的结果之一是“射流和尾流”现象（Cheshire，1945年；Hamrick等人，1954年；Olivari和Salaspini，1975年）。离心叶轮的出口流量和该区域速度分布的不均匀性是这些研究人员研究的主要问题。尽管离心泵叶轮出口处的射流和尾流现象通常是不可避免的，但叶轮流道中涡流的存在加剧了这种现象。
图4：叶轮和相关几何参数（Ns = 10的泵）
Gruver等人（1996年）和Brun等人（1994年）在混流泵中观察到强烈的二次流。此外，一些研究人员还研究了其它类型的涡轮机械几何形状中的类似二次流。例如，Moore（1973a，1973b）使用探头来确定旋转径向流道中的二次流场。在这项研究中，将获得的结果与潜在流动方法的预测进行比较，结果显示出可接受的一致性。几位研究人员（Hawthorne，1951；Kelleher等人，1980；Sanz & Flack，1986年）研究了静止圆形和矩形弯管中的二次流。推导了叶轮机械中流向涡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）。后来，这些模型被用来预测旋转弯道中的二次流（Johnson，1978年）。计算流体动力学（CFD）促进了通过离心泵计算流场及其设计的进展。一些研究人员试图弄清楚离心泵内部的流场，以优化离心涡轮机械的设计。例如，Asuaje等人（2005年），Majidi（2005年），Huang和Wu（2006年）和Zhang等人（1994年）研究了离心泵中的流场，并使用CFD方法进行了参数研究。
盖板切割的另一个重要影响是径向力的变化，径向力是轴承和轴上载荷的主要来源之一，其次是导致振动的轴偏移。当泵在BEP之外运行时， 叶轮出口处静压的外围分布不均匀， 这放大了不希望的径向力。已经进行了大量研究，以表明几何参数如何影响径向力（Girdhar，2005年；Gülich，2007年）。Stepanoff（1992年）提出了估算径向力的经验关系，这在泵设计的初始阶段非常有用。基于对16台低比速泵的研究，Agostinelli等人（1960年）提出了一种预测径向力的关系式，该关系式随后得到了发展（Hydraulic Institute，2009年）。通过将所获得的稳态数值结果与本研究中同时获得的非稳态数值结果和实验数据进行比较，验证了所采用的方法的有效性。
本研究的主要目的是分析叶轮盖板切割引起的扬程减小值，并研究中低比转速泵的效率和径向力的变化。
在本研究中，使用定常（稳态）数值模拟来模拟通过每台泵的液体流动。为了确保结果的准确性，对四种情况（在BEP和低于BEP的流量下）进行了非定常（非稳态）数值模拟和实验测试。本研究的主要重点是泵扬程和效率的变化，施加在旋转部件上的压力以计算径向力，以及修正的相关性以预测带有切割盖板叶轮的泵中的径向力。研究的另一个目的是呈现流线，以分析每种情况下涡流强度和流动分离。此外，还对中、低比转速泵的叶轮盖板切割效果进行了比较，以更好地了解叶轮盖板切割对所研究泵水力性能的影响。
2. 几何形状
与Ns=10的闭式叶轮的泵相关的主要几何参数如图4所示。表1总结了与所研究的泵（Ns=10和24）相关的设计工况及水力参数。
表1：Ns=10和Ns=24的闭式叶轮泵在最佳效率点的主要水力参数。
在初步研究中，发现必须给出扬程系数（ψ）和流量系数（φ）。这里，D2、Q、ω和H分别表示叶轮的外径、流量、泵的转速和泵扬程。通过考虑本工作中的特殊几何形状（仅切割叶轮盖板），平均出口直径由公式（1）计算：
扬程系数（ψ）和流量系数（φ）分别为：
表2显示了Ns=10和24的泵的盖板切割百分比。例如，为了避免混淆，图5中只显示了通过PIST方法所改变的泵叶轮（Ns=24）的一些几何形状。
表2：每个研究案例中叶轮盖板切割的百分比
图5：减小泵的盖板直径（Ns=24）
3. 实验装置
试验台及其配置如图6和图7所示。图8显示了比转速为24的泵的完整叶轮和盖板切割后的叶轮，这些叶轮与实验研究有关。标题中给出了每个叶轮的详细信息。应该注意的是，在PIST方法中，每个叶轮的轮毂和叶片形状保持不变。
图6：试验台示意图
图7：(a) 提供的试验台；(b-e) 测量装置；(b) 流量计；(c) 流量计；(d) 入口压力表；(e) 出口压力表
(a) 完整的叶轮
(b) 盖板切割5%的叶轮
(c) 盖板切割10%的叶轮
图8：实验室叶轮盖板切割阶段（比转速为24的泵）
试验台由两只阀门、一台已安装的泵以及压力和流量测量装置组成。压力变送器的满量程精度为±0.5%。为了提高测试的测量精度，在一定的流量下进行了多次实验，并报告了记录数据的平均值。使用传统的不确定度估计方法，最大流量不确定度为±0.2%。有关实验室测试回路的其它信息，请参见附录1。在这项测试中，将装置包的整个单元一起进行测试，以检查水力或机械功能。该测试的目的是检查整个设备在一起工作时的性能。每台设备的振动值必须在其允许的范围之内。
作者简介：本文由伊朗德黑兰大学机械工程学院M. Shadab, M. Karimipour, Amir F. Najafi, R. Paydar and S. Ahmad Nourbakhsh共同完成。
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