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摘 要：对不可抽芯式低比转速斜流泵，在不改变原泵叶轮流道基础上，设计新型空间导叶体，减小可抽芯泵的筒体直径，降低泵的成本。本研究采用CFD技术数值模拟泵的全流场流动特性，进而优化空间导叶体设计。研究优化后的结果表明，新设计的可抽芯低比转速斜流泵不仅具有筒体直径小，而且还具有较好的水力性能，其水力效率高于原泵。本优化设计方法为开发新的可抽芯式低比转速斜流泵具有重要的指导作用。
关键词：斜流泵;空间导叶;优化设计
中图分类号：TH311 文献标志码：A
前言
斜流泵，根据水力性能的划分又称为导叶式混流泵，具有流量大、扬程适中、效率高、高效区范围宽及不抽真空起机等特点[1]，被广泛应用于冶金、市政、矿山和环保等行业。国内外研究斜流泵的人很多，马桂超、李宝良[2，3]对斜流泵内部流场进行了研究，吴波、邴浩、张勤昭、李新华[4-7]对斜流泵的导叶设计和数值模型进行了研究，杨从新、张德胜[8-9]对斜流泵的叶轮和导叶数量对水泵性能的影响进行了研究，裴迎举[10]对复合结构的斜流泵导叶进行了研究。但是，目前尚未发现有人对不抽出导叶体的可抽芯斜流泵进行研究，目前的抽芯式斜流泵抽芯时仍需要将转子和导叶体一起抽出，对于低比转速斜流泵，由于导叶体外圆很大，相对泵的叶轮外径要大很多，而抽芯时需要抽出导叶体，因此水泵筒体需要制作得很大，很不经济。为了解决上述问题，本研究设计了一种新型的空间导叶体，导叶体和外筒体固定在一起，其导叶片任何一个处于叶轮最大外径之外，抽芯时可不必抽出导叶体。
1 新型空间导叶体的结构型式
这里所研究的可抽芯低比转速斜流泵的导叶体将常规的导叶体结构分为导叶体的导流锥两部分，外部的导叶体直接和筒体连接，抽芯维护时不需要抽出该部分，内部的导流锥在抽芯时和转子一并抽出，安装时，导流锥随转子一起放下后会和导叶体接触并由卡槽卡住，故运行时，导流锥和和导叶体一起固定不动，如图1所示。
2 新型空间导叶体的优化设计
选取一种已有的传统斜流泵模型进行对比，在保持原泵进水喇叭口、叶轮室、叶轮不变的基础上，设计一个新型的导叶体。本研究选择的原泵的参数为Q=1080m3/h，H=58m，n=1480r/min，ns=141，叶轮最大外径480mm，导叶体进口处最小直径485mm，出口最小直径仅125mm，远小于叶轮外径，因而导叶体不可抽，导叶体内壁光滑过渡至导向轴套保护管并和轴套保护管连接。新泵设计参数不变，叶轮也保持不变，空间导叶体设计时，导叶体进口处尺寸不变，其最小直径仍为485mm，控制导叶从进口到出口各横断面的最小径向尺寸均大于叶轮最大半径，即保证结构上叶轮可从导叶体中抽出，保持轴面图从进口到出口的面积变化趋势同原泵一致，原导叶进出口角度也保持不变，导叶体外壁出口法兰与外筒体法兰连接，导叶体内壁最小直径设计为505mm，设计一个可抽的导流锥，将导叶体出口的液流光滑地导向轴套保护管并和轴套保护管连接，安装时导流锥放下落于导叶体出口内壁上，维护时导流锥随泵轴向叶轮一起抽出。
3 斜流泵内部流动特性的数值计算方法
全流场内部流动采用三维不可压缩N-S方程描述，选用标准k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解方程。利用有限体积法对控制方程进行离散，压力项采用标准格式，动量、湍动能和耗散率项采用二阶迎风格式，壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理，进出口边界条件分别采用速度进口和自由出流条件。
标准k-ε湍流模型：
式中：t为时间;V为流体速度;ρ为流体密度;P为压强;ν为流体运动黏性系数;g为重力加速度;k为湍动能;ε为耗损率; ; ;各常数值Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3;xi为坐标分量;i、j为张量坐标。
4 新型空间导叶体斜流泵内部流动特性的数值计算结果
4.1 计算几何模型的建立
通过 Solidworks软件对新设计的导叶体、原叶轮及进水喇叭三部分的水体进行三维造型，如图2所示。
三维造型后采用Gambit软件进行网格划分，如图3所示，并进行了网格无关性验证，最终采用的网格数见表1。
4.2 数值计算结果分析
（1）两种导叶体结构下设计点导叶的静压分布
对额定工况和0.8倍及1.2倍额定工况点进行了数值计算，额定工况时，新旧两种导叶片的静压力分布对比如图4所示，从图可以看出，两种型式的导叶进口压力梯度均较大，出口趋于均匀，新设计的导叶出口静压力相比原泵导叶更加均匀，但压力略低。
（2）两种导叶体结构下设计点导叶的速度分布
额定工况时，新旧两种导叶体的速度矢量分布对比如图5所示，从图可以看出，两种型式的导叶进口速度较大，且不均匀，出口逐步趋于均匀，新设计的导叶体无论是导叶的进口还是出口，其速度矢量相比原泵者更加均匀。
（3）两种导叶体结构下的泵外特性曲线
无论是0.8倍、1.0倍还是及1.2倍额定工况，采用新导叶体的泵扬程均比原泵略低，而效率均高于原泵，额定工况点效率高得不多，但大、小流量点效率均比原泵有较大幅度提升。
5 结论
本研究对两种型式导叶体下的整泵全流场在三种不同工况下的内部流动进行了数值计算。有下列结果：
（1）在额定流量时，无论是静压力梯度还是速度矢量，新导叶体时泵内部流动相比原导叶体泵更加均匀。
（2）采用新导叶体时，泵的流量扬程曲线略有下降，但效率更高，高效区更宽。
通过分析比较，进而得出该新导叶体的设计是成功的，可以作为低比转速斜流泵可抽芯设计的一种新的结构方式，该方式可以减小可抽芯泵的筒體直径，降低泵的成本。 参考文献
[1] 关醒凡编著.轴流泵和斜流泵[M].北京：中国宇航出版社，2009：42-69.
[2] 马桂超，汤方平，杨帆，等.基于CFX的混流泵内流场数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（3）：128-131.
[3] 李宝良，范振兴，霍焰.基于CFD混流泵內流场数值分析[J].大连交通大学学报，2011，32（1）：43-46.
[4] 吴波.一种立式斜流泵导叶体[P].中国专利：201220305242.8，2012-06-27
[5] 邴浩，曹树良，谭磊，等.混流泵导叶对其性能的影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（2）：125-130.
[6] 张勤昭，曹树良，陆力.高比转数混流泵导叶设计计算[J].农业机械学，2008，39（2）：73-76.
[7] 李新华，刘川梅，吴波，等.基于CFX单圆弧空间导叶斜流泵的数值模拟[J].水电能源科学，2014，32（4）：175-179.
[8] 杨从新，苏晓珍，李强，等.不同导叶数对立式斜流泵水力特性影响的研究[J].人民长江，2014，19：68-71，100.
[9] 张德胜，施卫东，王川，等.斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（2）：167-170.
[10] 裴迎举，宋文武，符杰，等.复合导叶结构对斜流泵水力特性的影响研究[J].中国农村水利水电，2017，30（3）：142-145，152.
[11] Shi Weidong，Zou Pingping，Zhang Desheng，et a1. Unsteady flow pressure fluctuation of high-specific- speed mixed-flow pump[J].Transactions of the CSAE，2011，27（4）：147-152
[12] 刘琦，袁寿其.高比转速斜流泵内部三维湍流场数值模拟的研究[J].农机化研究，2007，29（7）：75-79
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“可抽芯低比转速斜流泵的研究”（项目编号：17C0581）
关键词：斜流泵;空间导叶;优化设计
中图分类号：TH311 文献标志码：A
前言
斜流泵，根据水力性能的划分又称为导叶式混流泵，具有流量大、扬程适中、效率高、高效区范围宽及不抽真空起机等特点[1]，被广泛应用于冶金、市政、矿山和环保等行业。国内外研究斜流泵的人很多，马桂超、李宝良[2，3]对斜流泵内部流场进行了研究，吴波、邴浩、张勤昭、李新华[4-7]对斜流泵的导叶设计和数值模型进行了研究，杨从新、张德胜[8-9]对斜流泵的叶轮和导叶数量对水泵性能的影响进行了研究，裴迎举[10]对复合结构的斜流泵导叶进行了研究。但是，目前尚未发现有人对不抽出导叶体的可抽芯斜流泵进行研究，目前的抽芯式斜流泵抽芯时仍需要将转子和导叶体一起抽出，对于低比转速斜流泵，由于导叶体外圆很大，相对泵的叶轮外径要大很多，而抽芯时需要抽出导叶体，因此水泵筒体需要制作得很大，很不经济。为了解决上述问题，本研究设计了一种新型的空间导叶体，导叶体和外筒体固定在一起，其导叶片任何一个处于叶轮最大外径之外，抽芯时可不必抽出导叶体。
1 新型空间导叶体的结构型式
这里所研究的可抽芯低比转速斜流泵的导叶体将常规的导叶体结构分为导叶体的导流锥两部分，外部的导叶体直接和筒体连接，抽芯维护时不需要抽出该部分，内部的导流锥在抽芯时和转子一并抽出，安装时，导流锥随转子一起放下后会和导叶体接触并由卡槽卡住，故运行时，导流锥和和导叶体一起固定不动，如图1所示。
2 新型空间导叶体的优化设计
选取一种已有的传统斜流泵模型进行对比，在保持原泵进水喇叭口、叶轮室、叶轮不变的基础上，设计一个新型的导叶体。本研究选择的原泵的参数为Q=1080m3/h，H=58m，n=1480r/min，ns=141，叶轮最大外径480mm，导叶体进口处最小直径485mm，出口最小直径仅125mm，远小于叶轮外径，因而导叶体不可抽，导叶体内壁光滑过渡至导向轴套保护管并和轴套保护管连接。新泵设计参数不变，叶轮也保持不变，空间导叶体设计时，导叶体进口处尺寸不变，其最小直径仍为485mm，控制导叶从进口到出口各横断面的最小径向尺寸均大于叶轮最大半径，即保证结构上叶轮可从导叶体中抽出，保持轴面图从进口到出口的面积变化趋势同原泵一致，原导叶进出口角度也保持不变，导叶体外壁出口法兰与外筒体法兰连接，导叶体内壁最小直径设计为505mm，设计一个可抽的导流锥，将导叶体出口的液流光滑地导向轴套保护管并和轴套保护管连接，安装时导流锥放下落于导叶体出口内壁上，维护时导流锥随泵轴向叶轮一起抽出。
3 斜流泵内部流动特性的数值计算方法
全流场内部流动采用三维不可压缩N-S方程描述，选用标准k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解方程。利用有限体积法对控制方程进行离散，压力项采用标准格式，动量、湍动能和耗散率项采用二阶迎风格式，壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理，进出口边界条件分别采用速度进口和自由出流条件。
标准k-ε湍流模型：
式中：t为时间;V为流体速度;ρ为流体密度;P为压强;ν为流体运动黏性系数;g为重力加速度;k为湍动能;ε为耗损率; ; ;各常数值Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3;xi为坐标分量;i、j为张量坐标。
4 新型空间导叶体斜流泵内部流动特性的数值计算结果
4.1 计算几何模型的建立
通过 Solidworks软件对新设计的导叶体、原叶轮及进水喇叭三部分的水体进行三维造型，如图2所示。
三维造型后采用Gambit软件进行网格划分，如图3所示，并进行了网格无关性验证，最终采用的网格数见表1。
4.2 数值计算结果分析
（1）两种导叶体结构下设计点导叶的静压分布
对额定工况和0.8倍及1.2倍额定工况点进行了数值计算，额定工况时，新旧两种导叶片的静压力分布对比如图4所示，从图可以看出，两种型式的导叶进口压力梯度均较大，出口趋于均匀，新设计的导叶出口静压力相比原泵导叶更加均匀，但压力略低。
（2）两种导叶体结构下设计点导叶的速度分布
额定工况时，新旧两种导叶体的速度矢量分布对比如图5所示，从图可以看出，两种型式的导叶进口速度较大，且不均匀，出口逐步趋于均匀，新设计的导叶体无论是导叶的进口还是出口，其速度矢量相比原泵者更加均匀。
（3）两种导叶体结构下的泵外特性曲线
无论是0.8倍、1.0倍还是及1.2倍额定工况，采用新导叶体的泵扬程均比原泵略低，而效率均高于原泵，额定工况点效率高得不多，但大、小流量点效率均比原泵有较大幅度提升。
5 结论
本研究对两种型式导叶体下的整泵全流场在三种不同工况下的内部流动进行了数值计算。有下列结果：
（1）在额定流量时，无论是静压力梯度还是速度矢量，新导叶体时泵内部流动相比原导叶体泵更加均匀。
（2）采用新导叶体时，泵的流量扬程曲线略有下降，但效率更高，高效区更宽。
通过分析比较，进而得出该新导叶体的设计是成功的，可以作为低比转速斜流泵可抽芯设计的一种新的结构方式，该方式可以减小可抽芯泵的筒體直径，降低泵的成本。 参考文献
[1] 关醒凡编著.轴流泵和斜流泵[M].北京：中国宇航出版社，2009：42-69.
[2] 马桂超，汤方平，杨帆，等.基于CFX的混流泵内流场数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（3）：128-131.
[3] 李宝良，范振兴，霍焰.基于CFD混流泵內流场数值分析[J].大连交通大学学报，2011，32（1）：43-46.
[4] 吴波.一种立式斜流泵导叶体[P].中国专利：201220305242.8，2012-06-27
[5] 邴浩，曹树良，谭磊，等.混流泵导叶对其性能的影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（2）：125-130.
[6] 张勤昭，曹树良，陆力.高比转数混流泵导叶设计计算[J].农业机械学，2008，39（2）：73-76.
[7] 李新华，刘川梅，吴波，等.基于CFX单圆弧空间导叶斜流泵的数值模拟[J].水电能源科学，2014，32（4）：175-179.
[8] 杨从新，苏晓珍，李强，等.不同导叶数对立式斜流泵水力特性影响的研究[J].人民长江，2014，19：68-71，100.
[9] 张德胜，施卫东，王川，等.斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（2）：167-170.
[10] 裴迎举，宋文武，符杰，等.复合导叶结构对斜流泵水力特性的影响研究[J].中国农村水利水电，2017，30（3）：142-145，152.
[11] Shi Weidong，Zou Pingping，Zhang Desheng，et a1. Unsteady flow pressure fluctuation of high-specific- speed mixed-flow pump[J].Transactions of the CSAE，2011，27（4）：147-152
[12] 刘琦，袁寿其.高比转速斜流泵内部三维湍流场数值模拟的研究[J].农机化研究，2007，29（7）：75-79
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“可抽芯低比转速斜流泵的研究”（项目编号：17C0581）