随着石油化工、冶金电力、航空航天等工业的迅速发展,离心泵也逐步向高速和大功率方向发展,而且随着离心泵输送介质的多样化,特别是在输送易汽化介质和输送低温液化气体等应用领域的不断扩展,扬程更高、流量更低的超低比转速高速离心泵得到了广泛应用。由于传统的以一元理论和相似理论为基础建立的速度系数法和模型换算法在设计超低比转速离心泵时具有一定的局限性,受到工作环境以及泵自身性能的限制,小流量泵在效率、可靠性以及稳定性等方面都需要进一步改进。
本课题采用CFD数值模拟计算方法,对具有不同短叶片型式的GS25型超低比转速高速离心泵在设计流量与大流量、小流量等不同运行工况下进行全流场三维湍流数值模拟,对长短叶片复合式叶轮离心泵内部流动特性进行了较为深入的研究,旨在得到GS25型超低比转速高速离心泵复合式叶轮的最优设计方案,找出分流短叶片对内部流动及其性能的影响规律,本课题的主要研究内容和所做的主要工作如下：
1、基于传统的离心泵一元设计理论,结合低比转速离心泵的加大流量设计法和速度系数法,根据本课题给定的基本设计参数,完成了GS25型超低比转速高速离心泵的复合式叶轮和蜗壳的水力设计,得到GS25型超低比转速高速离心泵的初始设计方案。
2、基于数理统计和正交理论,针对影响复合式叶轮短叶片设计的叶片数、叶片径向进口的相对位置、叶片周向偏置度、偏转角四个主要因素,根据不同因素水平条件,由正交法得到四因素四水平的十六种不同短叶片型式的复合式叶轮方案,并通过对L16(44)正交方案数值模拟计算结果的极差分析得出各因素水平对扬程和效率影响的主次顺序,得出影响短叶片设计的各个因素水平对GS25型超低比速高速离心泵性能的影响趋势,从而得到长短叶片及其布置最佳匹配的复合式高速离心泵叶轮的模型方案。
3、在GS25型超低比转速高速离心泵复合式叶轮叶片的三维实体造型过程中,提出了空间柱面坐标法,将叶片翼型二维平面的水力模型转化为空间坐标点,通过调整坐标点的数值,来实现对叶片的修型,为提高过流部件内部流动CFD数值模拟精度及其性能预测的准确性奠定可靠的基础。
4、整机数值模拟计算基于连续方程和雷诺时均Navier-Stockes方程,采用标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,分别对采用五长叶片的常规叶轮和正交法优化设计得到的长短各五叶片的复合式叶轮离心泵,在0.5Q、0.8Q、1.0Q 1.2Q、1.5Q等不同运行工况进行了三维湍流数值模拟研究。计算得到了两种模型方案内部流动速度场和压力场的分布特征,着重分析比较了设计工况点下,两种叶轮方案内部的压力和速度分布规律。
本课题的主要创新点如下：
1、以数理统计和正交理论为基础,提出了长短叶片复合式叶轮的优化设计方法,并得到本课题所需的长短叶片复合式叶轮的最佳组合方案。
2、提出了长、短叶片三维实体造型的空间柱面坐标法,解决了传统的平面翼型修型方法中工作量大、操作复杂、造型不够准确等问题。
由于时间、条件和本人经验不足所限,本课题做的工作有限,有很多工作目前还没有进行到位。文中给出的GS25型超低比转速高速离心泵长短叶片复合式叶轮水力模型方案,还有很大的提升空间,有待于以后继续深入研究和探讨。
