低比转速离心泵复合叶轮内部流动的数值计算
第33卷第4期2007年8月兰 州 理 工 大 学 学 报
JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol.33No.4
Aug.
2007
文章编号:167325196(2007)0420047204
低比转速离心泵复合叶轮内部流动的数值计算
齐学义1,张 东2,刘在伦1,姬孝斌1,徐 洁1,凤尔桐1
(1.兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃兰州 730050;2.兰州电机有限责任公司,甘肃兰州 730050)
摘要:采用奇点分布法对普通结构型式的低比转速离心泵叶轮内部流动进行数值计算,通过对由长、短叶片构成的复合叶轮内部流场的实例计算,验证奇点分布法的可行性与适用性.实例计算结果表明:该方法不仅可行、适用,而且显示出一些突出的优越性.指出该方法在计算过程中相关参数的选取对计算结果的影响,并提出这些参数取值范围的建议.
关键词:复合叶轮;低比转速;奇点分布法;内部流动;数值计算中图分类号:TK730.2 文献标识码:A
Numericalcomputationofinneric
speedQIXue21,1,JIXiao2bin1,XUJie1,FENGEr2tong1
(1.CollegeofFluid,LanzhouUniv.ofTech.,Lanzhou 730050,China;nzhouElectricCorporation,Lanzhou730050,China)
Abstract:Numericalevaluationofinnerflowwithinlowspecificspeedimpellerofcommoncentrifugal
pumpwasevaluatednumericallybyusingsingularitydistributionmethod.Theinnerflow2fieldofcom2poundimpellercomposedofboththelongandshortvaneswasalsocalculatedasanillustrationtoverifythefeasibilityandapplicabilityofsingularitydistributionmethod.Theevaluationresultshowedthatthemethodnotonlywasfeasibleandapplicablebutalsoexhibitedextraordinarysuperiority.Itwaspointedoutthattherewasinfluenceoftheselectionofrelatedparametersontheevaluationresult,sothatanas2signedrangeoftheseparameterswasproposed,also.
Keywords:compoundimpeller;lowspecificspeed;singularitydistributionmethod;innerflow;numeri2
calevaluation
低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点,用途十分广泛.其几何特征为:叶轮出口直径D2大,出口宽度b2小,流道狭长;其外特性表现为:轴功率曲线较陡,易产生过载,但关死功率较小.效率特性曲线虽比较平坦,但效率值较低,且H2qV曲线易出现驼峰,关死扬程为设计工况的1.1～1.3倍[1].因此,在实际使用中就可能出现效率低,易过载,在小流量工况下易产生振动、噪音和压力脉动等工作不稳定现象.近年来,国内外均提出了一些解决和弥补这些缺陷或弊端的办法,取得了一定的成果.如复合式叶轮的出现,使其性能得到了一定改善,也得到了推广和应用[1～4].但还没有从根本上解决问题,尤其
收稿日期:2007201218 作者简介:齐学义(19452),男,辽宁台安人,教授,博导.
是其设计计算方法与规律性的问题.本文主要以新
的思路对其内部流场的设计计算方法做一些探讨.
1 复合叶轮设计法
复合叶轮设计法的实质是通过改变叶轮内的速度和压力分布,使叶轮获得良好的水力性能.由于常规结构中叶轮流道的扩散度较大,叶片对液流作功不均匀,叶轮流道内容易产生脱流和边界层分离现象.复合式叶轮(见图1)通过设置短叶片,在叶轮出口附近将对长叶片背面的液流起到增能的作用,以阻止脱流的产生和发展[5].同时,由于复合叶轮进口叶片数较少,因此相对于全为长叶片而言增大了进口排挤系数,减小了表面摩擦;又由于出口叶片数较多,也减小了有限叶片数的影响,从而提高了离心泵
低比转速离心泵复合叶轮内部流动的数值计算
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的理论扬程.并且通过采用复合叶轮的结构型式与泵转速的提高相结合,有效地提高了低比转速泵的整体水力性能
.
ζ上的两个点涡,从而这两个环涡列的诱导速度
W RL、W ΘL及W RS、W ΘS可分别求得.分别将长、短叶
片对应的环涡列变换为复平面数,均取为下面的三角函数多项式形式:
γ(ξ)=A1cot+
2
mTL
nT
t=2
∑Asin(t-tt
RL
1)ξ(4)
这样,即可分别求出这两个环列涡的诱导速度为
)=W RL(R,Θ
图1 复合叶轮示意图
Fig.1 Schematicdiagramofcompoundimpeller
t=1nTL
∑AV
t
(R,Θ)t(R,Θ)t(R,Θ)t(R,Θ)t
(5)(6)(7)(8)
)=W ΘL(R,Θ)=W RS(R,ΘS(Rt=1nTS
∑AV
t
ΘL
2 计算理论依据
采用正交曲线坐标系,S1流面上的流动可以看作回转面上的叶栅绕流.在离叶栅进口和出口足够
远的无叶片区,叶栅的影响可以忽略,是轴对称的.因此,理可知,的,即有势的[6].,叶片对流动的作用可用奇点系(涡、源、汇)来代替.通常低比转速泵叶片的厚度较小而长度较大,即所谓薄翼.对于薄翼叶栅,可略去其厚度的影响,用分布在各翼型骨线上的附着涡系所形成的环列涡栅来代替叶栅[2].
t=1nTS
∑AV
t
RS
t1
.At(t=1-nT)根据相切条件来确定.相切条件表达式为
WR-WΘtanβ R+W ΘtanβB=-WB
3
3
式中:W R=W RL+W RSW Θ=W ΘL+W ΘS
(9)
再把W RL、W ΘL及W RS、W ΘS的表达式分别代入相切条件,则得到如下方程:
33
WR-WΘtanβB=
nTL
3 复合叶轮的流场计算
3.1 复合叶轮流场计算的思路
)t+VΘL(R,Θ)ttanβ ∑At[-VRL(R,ΘB]+
t=1nTL+nTS
长、短叶片的翼型骨线分别形成长短叶片对应
的两列叶栅;短叶片布置在相邻两个长叶片的中间位置(什么位置最佳,这是后一步的工作),如图1所示.通过保角变换,把回转面上的流动变换为极坐标平面上的流动.因而考虑在极坐标平面上在长、短叶片的翼型骨线上分别布置涡系,形成了两个环列涡栅,从而可通过计算这两个环列涡栅的诱导势流与轴对称流动的叠加来计算这两个复合叶栅的绕流.3.2 轴对称流动的速度[7～10]
轴对称流动的速度可按以下两式计算:
32
(1)WΘ=(λr)/Ri-ω
3
χ(2)WR=ω m0(1/h)(χR)0r0)/(
,排挤系数χ可由下式计算:
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