流 体 机 械
第47卷第6期2019年6月 29 doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2019.06.007
叶片角度对采用肘形流道的轴流泵装置特性的影响
程 炀，孙 众，张 慧，刘冠霆
（扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225000）
摘 要：基于RNG k-ε 湍流模型和雷诺时均N-S 方程，运用CFD技术对采用肘形流道的某泵站轴流泵装置分别在叶片角度为-2°，0°和+2°时进行三维流动数值模拟，以探究不同叶片角度下肘形流道的流动特性，以及肘形流道与叶片角度对轴流泵装置性能的影响，并对肘形流 道内进行了非定常计算。通过计算得到叶片角度对肘形流道内水流流动状态会产生影响，叶片角度的不同导致肘形流道内的流态也会不同，不同叶片角度下叶轮进口的流速均匀度也会产生差异。在不同叶片角度下，轴流泵装置的肘形进水流道内压力脉动同样会产生很大的差异，压力脉动的差异会对机组的振动产生影响，通过对比叶片角度对采用肘形流道的轴流泵装置特性的影响，可以为工程中轴流泵装置叶片角度的调节提供一定的参考。
关键词：轴流泵；肘形流道；叶片安放角；水泵性能；压力脉动。
中图分类号：TH3；TV131 文献标志码：A企业创新案例
Influence of Different Blade Angles on Characteristics of Axial Flow Pump Device with
Elbow Flow Passage
CHENG Yang，SUN Zhong，ZHANG Hui，LIU Guanting
（Yangzhou Survey Design Rearch Institute Limited Company，Yangzhou 225000，China）
Abstract：Bad on the RNG k-ε turbulence model and the Reynolds time-averaged NS equation，the CFD software was ud to carry out three-dimensional flow numerical simulation on the axial flow pump device with the elbow flow passage at a pumping s t a t i o n a t -2°，0°，a n d +2°r e s p e c t i v e l y，i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e f l o w c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e e l b o w f l o w p a s s a g e a t d i f f e r e n t b l a d e angles，and the influence of elbow flow passage and blade angle on the performance of the pump device，and the unsteady calculation was carried out for the elbow flow passage. The blade angle obtained by calculation would have a great influence on the flow state of the flow in the elbow flow passage.Different blade angles would result in different flow patterns in the elbow flow passage，and the uniformity of flow
velocity at the impeller inlet would be different at different blade angles.At different blade angles，the pressure p u l s a t i o n i n t h e e l b o w i n l e t f l o w p a s s a g e o f t h e a x i a l f l o w p u m p d e v i c e w o u l d a l s o p r o d u c e a b i g d i f f e r e n c e. T h e d i f f e r e n c e i n p r e s s u r e p u l s a t i o n w o u l d a f f e c t t h e v i b r a t i o n o f t h e u n i t. B y c o m p a r i n g t h e i n f l u e n c e o f t h e b l a d e a n g l e o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a x i a l f l o w pump device with elbow flow passage，it can provide a certain reference for the adjustment of blade angle of the axial flow pump device in the project.
Key words：axial flow pump；elbow flow passage；blade tting angle；pump performance；pressure pulsation
0 前言
轴流泵广泛应用于大流量、低扬程泵站工程中，而叶轮直接决定能量转换特性、空化性能和运行稳定性。目前很多泵站工程中普遍采用全调节叶轮，叶片安放角变化规律对水轮机转轮与水泵叶轮水力性能影响的研究已有文献报道。阮辉等［1］研究了叶片安放角呈上凸、下凹和直线 3 种分布规律对混流式水轮机转轮性能的影响.郑源等［2］采集了轴流泵模型叶片安放角为 ±4°及 0°时的压力脉动信号，
并进行了幅值和频谱分析，结果表明，叶轮进口处比叶轮出口处压力脉动大；随着叶片安放角度的增大 ，3个测点的压力脉动均有所增加。本文根据在某泵站运行过程中发现的以下现象，即在不同水泵叶片安放角时机组振动情况不一样，采集的性能参数有很大的差距，监测到的肘形进水流道内的流态也会有很大的差别。为了能进一步得到不同水泵叶片安放角时肘形流道
收稿日期： 2018-10-10 修稿日期： 2019-05-08
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内的流场特性，采用CFD 对不同叶片安放角下的
肘形进水流道内的流场特性进行研究。本文基于CFD 技术对不同叶片角度下采用肘形流道的轴流泵装置流动特性进行了三维全流道数值模拟，揭示了其流动状况，并预测了其水力性能。1 计算模型
1.1 网格划分及网格无关性验证
图1示出泵站计算实体造型，为保证水流平顺地进入肘形流道，在肘形流道前加一段进水前池。计算模型包括进水延伸段、肘形进水流道、叶轮、导叶、
出水流道。
图1 计算模型
针对肘形流道轴流泵装置全流道数值计算的特点，对复杂的计算模型进行分块并采用不同的
网格划分方法。叶轮和导叶结构复杂，其中流场变化急剧，特别是叶轮，属于旋转部件，其网格的质量对于计算结果的影响较大。在肘形流道喉部区网格进行重点加密，经数次泵装置全流道的数值计算验证后获得了合适的网格生成方法，将 Yplus 值控制在 100 以内，本文根据相关文献中导叶网格数、叶轮网格数、出水管网格数满足计算的要求下，根据大流量类似轴流泵计算实例，最终确定叶轮网格数为60万、导叶网格数为80万、出水流道网格数为40万，网格质量在0.4以上满足计算要求［3］。计算模型网格图如图2
所示。
图2 计算模型网格
为合理利用适当的网格数，不造成资源的浪
费，需要进行网格无关性验证。数值计算与试验结果之间的误差主要有物理模型近似误差、差分方程的截断误差及求解区域的离散误差、迭代误差、舍入误差等等。理论上来说，网格数量越多，计算越精确，计算结果就越接近实验结果，在计算中，离散误差虽然会随网格数量增多而减小，但是网格变密时，离散点数增多，舍入误差也会相应加大，而且网格数量过大会带来计算周期长，造成资源的浪费，当网格数达到一定数量时，网格数对计算结果精度的影响可以忽略，因此选择合适的网格数量进行计算是非常必要的。本文的研究对象是肘形流道，所以对肘形进水流道进行网格无关性研究，以保证能够充分得到肘形流道的流动特性。本文采用水泵效率作为网格无关性评判指 标［5］。图3示出网格数从40万到120万时在设计流量工况下水泵效率变化曲线。肘形流道网格数在40万到90万之间水泵效率波动变化比较大，当网格数达到100万以后，水泵效率变化不大，趋
于稳定，说明网格数量已经达到要求，可以排除网格数对其的影响，因此本文肘形流道网格数量采用100
万进行计算。
图3 网格无关性验证
采用三维雷诺时均N-S 方程来描述轴流泵装置内不可压缩流体的湍流流动。湍流模型采用RNG k -ε模型。RNG k -ε模型通过修正湍流粘度考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况，RNG k -ε模型可更好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动。对于轴流泵装置来说，包含旋转的叶轮、静止的导叶和进、出水流道，其中进水流道与叶轮、叶轮与导叶之间有相互流动耦合作用，如何处理动静交界面对整个泵装置的计算正确与否起重要影响。动静交界面采用冻结转子（Frozen Stator）模型，以保证交界面的连续性。将泵装置的进、出水流道、叶轮的壳体及导叶壳体、叶片及
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轮毂均设置为无滑移条件的静止壁面，在近壁区采用可伸缩壁面函数，保证模拟精度。进、出水流道混凝土表面的粗糙度近似取2.5 mm。将进水前池的进口作为整个泵装置计算流场的进口，进口边界条件采用质量流量进口。将出水流道的出口作为整个泵装置计算流场的出口，出口边界条件采用总压出口条件，总压设置为一个标准大气压。水面采用刚盖假定，设置为symmetry。计算格式为高阶迎风，收敛精度为10-4，叶片角度分别为-2°，0°和+2°。1.2 数值计算验证
本文将工程泵站现场采集数据按水泵相似律变换处理，得到轴流泵装置现场性能试验结果，并将数值计算结果与现场性能试验结果进行对比，分别如图4，5所示。对比发现两者的性能曲线变化趋势一样，数值模拟计算结果比试验结果值略高，这是因为数值计算中计算环境更加理想化，实际现场中水流环境复杂，产生的水力损失相对于数模计算更大，导致数值计算结果比试验结果高，但是整体误差范围在2.6%以内，这说明数值计算结果可以真实有效地反映现场真实的流动
状态。
图4
轴流泵装置效率的数值计算与试验对比
图5 轴流泵装置扬程的数值计算与试验对比
2 计算结果分析
2.1 不同叶片角度下轴流泵装置性能分析
通过对不同方案各工况点进行CFD 数值计算，根据计算结果，在CFX 后处理器中分别取出叶片上的扭矩值、进出口的压力增量值和对应
的流量，根据效率公式计算效率：
η = 30 ρ g QH /πnM ×100%。图6，7所示分别为不同叶片角度下采用肘形流道的轴流泵装置性能曲线。由计算可知，叶片角度为-2°时，设计工况流量为27 L/s，最高效率为79.3.%；叶轮角度为0°时，设计工况流量为30 L/s，最高效率为78.6%；叶片角度为+2°时，设计工况流量为34 L/s，最高效率为
80.7%。
图6
不同叶片角度下轴流泵装置效率曲线
束手待毙
图7 不同叶片角度下轴流泵装置扬程曲线
2.2 肘形流道流速矢量分析
图8示出叶片角度分别为-2°，0°和+2°下，流量为设计流量工况下时肘形流道中心纵断面流速矢量分布，整体上进水流道内水流沿着流道几何轮廓转向平滑，无回流区，流道内流速变化均匀。但是当叶片角度为-2°时，在肘形流道喉部位置存在局部的速度扰动现象，水流流态变差，存在局部的水流速度分布不均的现象。当叶片角度为0°时，肘形流道内水流流速分布相对于-2°时的水
程炀，等：叶片角度对采用肘形流道的轴流泵装置特性的影响
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流流速分布更加均匀，在肘形流道喉部水流平稳
过渡，局部的速度扰动强度明显变弱。当叶片角度为+2°时，肘形流道内流态平顺，肘形流道喉部水流平顺地由水平方向过渡进入叶轮，流速分布
为什么一直掉头发非常均匀。总之，伴随着叶片角度变大，肘形流道内的流态变得更好，
流速分布更加均匀。
图8 3个叶片角度下肘形进水流道纵剖面流速矢量
2.3 叶轮进口流速均匀度
为进一步探究不同叶片角度下肘形流道出口
水流流态对叶轮进口流场的影响，对叶轮进口速度分布均匀度进行分析。将轴流泵叶轮进口断面选取在距叶轮室进口10 mm 处，叶轮进口流速均匀度采用单元面积为权重进行加权计算，以断面流量为基础的面积加权流速均匀度更合理［7］，所以本文采用面积加权流速分布不均匀度来评判叶轮进口断面流速分布情况，面积加权流速均匀度 V una 计算式为：
（1）
其中 v Q A a
=/式中 v a ——叶轮进口断面的平均轴向速度；
v ai ——叶轮进口断面第i 单元的轴向速度； ΔA i ——叶轮进口断面第i 单元的面积。按照式（1）计算得到不同叶片角度下叶轮进口的断面面积加权流速均匀度。图9示出不同叶片角度下叶轮进口的断面面积加权流速均匀度
分布。
图9 不同叶片角度下叶轮进口断面面积加权
流速均匀度分布
叶片角度为-2°时叶轮进口断面面积加权流
速均匀度为81.3%，叶片角度为0°时叶轮进口断面面积加权流速均匀度为82.2%，叶片角度为+2°时叶轮进口断面面积加权流速均匀度为83.6%。可以看到，在叶片角度越大时采用肘形流道的轴流泵装置叶轮进口流速均匀度越大，叶轮进口流速分布越均匀。
2.4 肘形流道压力脉动分析
已有研究指出，轴流泵装置泵轴线与水流方向互相垂直，故水流在进入水泵和流出水泵时均有一个流向改变，即水流转弯90°的问题。水流流向改变极易引起水流脱离、二次流、流速分布不均匀甚至产生旋涡、涡带。这些对水泵运行是极其有害的。为进一步探究肘形流道内的流场特性，在设计工况下，分别在叶片角度为-2°，0°和+2°的计算模型中设置了压力脉动
对试验段内一个叶轮旋转周期的试验结果通过傅里叶变换得到压力脉动谐波的振幅，为了分析压力脉动，引入压力脉动系数C p ［8］：
C p p U p t i p =−()()
//ρ2
2
（2）
式中 p ——各测点的瞬时压力，kPa；
p ——各测点的时均压力，kPa；
ρ ——水的密度，kg/m 3； U tip ——叶顶的圆周速度，m/s。图10示出压力脉动监测点位置，其中P 1为压力脉动测点。图11示出为肘形流道出口与叶轮进口交界面间的压力脉动幅值，不同叶片角度下叶轮进口的压力脉动主频均为叶频，压力脉动幅值随频率的变化会存在不同。叶片角度为-2°，0°和+2°时的压力脉动主频幅值分别为0.009 6，0.007 8和0.005 8，说明叶片角度越小时，不仅叶轮进口的流速分布不均匀，而且叶轮进口的压力脉动强度也变得更大。并且随着叶片角度的增
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加，压力脉动宽带低频范围逐渐减小，可以得到随着叶片角度的增加，肘形流道出口的压力脉动强度增加，不同角度的叶片对肘形流道内的流场压力脉动激励作用不同。这是因为叶片角度不同，叶片在
肘形流道出口流场内的扰流强度不同，叶轮进口流速方向也会不同，水流流速方向的突然改变，泵内湍流发生不规则运动，压力脉动增强，叶轮进口与肘形流道出口的动静干涉作用也会产生明显的差异，复杂的交界条件，会对叶轮入口的流速均匀性产生影响，导致机组的振动产生差 异［9-12］。本文研究可以为在工程中肘型流道泵
装置叶片调节提供一定的指导。
图10
压力脉动监测点位置
图11 不同叶片角度下肘形进水流道内压力脉动幅值3 结论
（1）叶轮角度为-2°时，随叶片角度的增加，
肘形进水流道内的流态更加稳定。同时叶片角度为-2°，0°和+2°时，随着叶片角度的增加，叶轮进口流速分布更加均匀。（2）叶片角度为-2°，0°和+2°时的压力脉动主频幅值分别为0.004 2，0.006 3和0.009 4，并且
随着叶片角度的增加，压力脉动宽带低频范围逐渐减小，可以得到随着叶片角度的增加，肘形流道出口的压力脉动强度增加，不同角度的叶片对肘形流道内的流场压力脉动激励作用不同。
参考文献：
［1］ 阮辉，廖伟丽，赵亚萍，等．叶片安放角分布规律对
冷却塔用混流式水轮机转轮性能的影响研究［J］.水力发电学报，2014，33（3）：274-278．
［2］ 郑源，刘君，周大庆，等.大型轴流泵装置模型试验
球赛时间的压力脉动［J］.排灌机械工程学报，2010，1（28）：51-55.
［3］ 杨帆，刘超，汤方平，等.箱涵式进水流道的立式
轴流泵装置水动力特性分析［J］.农业工程学报，2014，30（4）：62-69.
［4］ 刘超，成立，周济人，等.水泵站开敞进水池三维
紊流数值模拟［J］.农业机械学报，2002，33（6）： 53-55.
［5］ 成立，刘超，周济人.基于RNG 湍流模型的双向泵世界上最小的手机
站出水流道流动计算［J］.水科学进展，2004，15（1）：109-112.
［6］ 黄欢明，高红，沈枫，等.轴流泵内流场的数值模拟
与试验［J］.农业机械学报，2008，39（8）：66-69.
关于端午节的诗词［7］ 刘超，梁豪杰，金燕，等.立式轴流泵进水流场PIV
测量［J］.农业机械学报，2015，46（8）：33-41.
［8］ 宋希杰，刘超，杨帆，等.水泵进水池底部压力脉
动特性试验［J］.农业机械学报，2017，48（11）： 196-203.
［9］ 王福军，张玲，张志民，等.轴流泵不稳定流场的
伤感文章压力脉动特性研究［J］.水利学报，2007，38（8）：1003-1009.
［10］ 郭楚，郑源，周大庆，等.导叶叶片数及导叶相对位
置对低扬程轴流泵装置性能的影响［J］.排灌机械工程学报，2019，37（3）：204-210.
烤箱烤串［11］ 宋希杰，刘超，罗灿，等.轴流泵装置中侧壁旋涡特
性及消涡研究［J］.流体机械，2018，46（6）：27-32.
［12］ 张德胜，施卫东，张华，等.不同湍流模型在轴流泵
性能预测中的应用［J］.农业工程学报，2012，28（1）：66-70．
作者简介：程炀（1987），男，工程师，主要从事水利工程设计研究，E-mail:。
通讯作者：孙众（1986），男，工程师，主要从事水利工程设计研究，通信地址：225000 江苏省扬州市邗江区物港路28号扬州市勘测设计研究院有限公司，E-mail: 。
程炀，等：叶片角度对采用肘形流道的轴流泵装置特性的影响
