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[摘 要]为研制成功一种新型泵，在结构及水力设计上采用二维与三维相结合的方法进行设计探索，详尽探讨了该泵设计的基本原则及特点，给泵类设计新产品的创新提供参考。
[关键词]新型泵 混流式 导叶 CFD
中图分类号：TB752+.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0004-01
1 引 言
根据新型泵的要求：其不但有先进性，可靠性，可维修性，保障性和互换性外，而且性能具有高效性，低噪声，低振动，低水阻力系数，寿命长等特点。以保泵组在服役期间显示出独特的优越性。
根据结构要求，在狭小的空间内，泵的进出口为同心双层套管，垂直向上吸入，垂直向下吐出，泵的吸入口为双层套管的外管与内管间的环腔，排出口为双层套管的内管。被抽送介质从双层套管的外、内管间的环腔经180？拐弯后由叶轮吸入，再经导叶排出到双层套管的内管中。该泵结构设计紧凑，过流部件主要由环形导叶、叶轮及空间导叶组成。流道设计最为关键，若只以二维设计法为手段，设计周期长，工作量大且反复无常。因此，使用三维CFD流场分析法为辅助，对泵内部流场进行研究分析，观察模拟状态下的流场变化情况，按需要完善相关几何参数，以达到良好的流动状態。这种CFD流场分析技术已经广泛应用于各种有关流体流动的科学研究中。
2 流道设计
该泵关键的水力流道是从进口导叶入口开始，经混流式叶轮，至出口导叶出口结束。该段流道在轴面投影图上的设计依据是流道中的液体速度均匀变化，符合过水断面面积沿流道中线的变化曲线规律。此外值得说明混流式叶轮为选择优秀的水力模型，进口导叶与出口导叶是从属设计。进口导叶为直叶片环形状；出口导叶为空间导叶结构，对其设计主要考虑两方面：一是水力性能满足要求，流道及叶片的设计与叶轮相匹配，避免引起噪声与振动；二是流道水阻力系数尽可能小，系数的大小与流道的长短有直接关系。综合这两方面，设计了三种流道。
在计算泵效率和扬程时采用单流道计算网格，分别采用AUTOGRID及IGG软件，生成网格数大约在150万左右；在计算转子固定时各个流量下的阻力系数与雷诺数时，采用全通道网格进行计算，网格数大约在750万左右。
3 流场计算分析
在模拟了泵正常运转情况下各零部件对其性能影响的条件下，用CFD软件进行分析计算，工作流体选用清水，内部流动考虑为不可压缩流体。分别计算三种方案下泵的效率、扬程以及水阻力系数值。这样能够比较全面、透彻的观察并分析其内部流场的流动规律，更好地指引水力设计。
通过模拟分析计算，结果如表1（流量：1197 m3/h）
对泵而言，在保证扬程合格的情况下效率越高越好，从计算结果看出1和3方案各有优点，处于两个边界。
4 结果分析
从CFD流场分析的图2图片上可以看出，泵三种方案的各过流部件在局部存在缺陷，红色部分所示，需要改进完善。
（1）从图2可以看出，进口导叶的出口边处与叶轮吸入口部分存在冲击与回流迹象。改进措施：一是通过修整该处流道拐弯弧度，削薄导叶叶片出口边厚度，头部倒小圆角，以改善此处流体的流动状态，使液体平稳进入叶轮。二是因为叶轮入口边处的液流角与叶片安放角稍有偏差，即冲角选择不是很理想，导致稍有冲击现象。采取修锉叶片进口边得背面，改善叶片局部形状及倒小圆角。
（2）从图2可以看出，叶轮出口与出口导叶入口部分的面积较叶轮出口边处的流道面积大很多，导致该区域液流分离严重，引起脉动。改进措施：一是完善导叶入口与叶轮出口段的轴面流道，使其整体面积变化均匀；二是考虑三种流道下扬程均偏低，可以对叶轮叶片出口边的背面进行修整，因为叶轮为混流式，通过增加外径的办法来提高扬程与离心式叶轮有点差异，修整出口边对水力性能的改善是很敏感的，所以通过经验略增加斜出口边外径，叶片与前盖板的最大外径不变。
（3）从图2可以看出，出口导叶的入口边与叶轮出口边的距离远近对流动的稳定性有所不同，其中三种方案的流体分离3方案最小。出口导叶喉部因流道拐弯严重均出现紊流，此处面积最小；叶片安放角与液流角在叶片根部不太吻合；导叶出口部分因流道的扩散程度不同而出现流体沿流道壁的分离程度不同。改进措施：一是为了使流体尽快稳定地流入导叶入口，导叶入口边尽量前伸；二是校正导叶喉部面积与叶轮出口面积的比例，根据经验及相关参考面积比不大于8%；三是通过计算对比导叶入口安放角与液流角的关系，合理选择冲角，也可以修整叶片入口边的厚度及倒小圆角，使叶片头部尽量薄；四是由图2及数据表可看出，1方案中流体在导叶出口部分的分离较小，水阻力系数大，3方案水阻力系数最小，流体分离最大，可看出水阻力系数与流道长短有关，以后试验证实流道越短，水阻力系数越小。故综合考虑，兼顾二者的关系，设计出最佳的流道。
5 结 论
在全面考虑泵实际几何形状的基础上，通过三维CFD流场分析计算，得出流体在三种设计流道下的水力性能与水阻力系数，且详尽直观三种流道下的内部流场分布所存在的利与弊。通过对流道缺陷的分析，提出改进与完善的措施，最后设计出最佳的水力流道，经过模型试验，水力性能与水阻力系数均得到了改善，基本上达到预想的结果。采用二维设计与三维分析法相结合的手段对新型泵及新水力模型的研究设计是很有价值的，从而最大限度的节省了人力、物力，缩短了设计周期。
参考文献
[1]沈阳水泵研究所主编. 叶片泵设计手册. 北京：机械工业出版社，1983.
[2]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件的理论与应用〔M〕.
北京：清华大学出版社，2004.
[关键词]新型泵 混流式 导叶 CFD
中图分类号：TB752+.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0004-01
1 引 言
根据新型泵的要求：其不但有先进性，可靠性，可维修性，保障性和互换性外，而且性能具有高效性，低噪声，低振动，低水阻力系数，寿命长等特点。以保泵组在服役期间显示出独特的优越性。
根据结构要求，在狭小的空间内，泵的进出口为同心双层套管，垂直向上吸入，垂直向下吐出，泵的吸入口为双层套管的外管与内管间的环腔，排出口为双层套管的内管。被抽送介质从双层套管的外、内管间的环腔经180？拐弯后由叶轮吸入，再经导叶排出到双层套管的内管中。该泵结构设计紧凑，过流部件主要由环形导叶、叶轮及空间导叶组成。流道设计最为关键，若只以二维设计法为手段，设计周期长，工作量大且反复无常。因此，使用三维CFD流场分析法为辅助，对泵内部流场进行研究分析，观察模拟状态下的流场变化情况，按需要完善相关几何参数，以达到良好的流动状態。这种CFD流场分析技术已经广泛应用于各种有关流体流动的科学研究中。
2 流道设计
该泵关键的水力流道是从进口导叶入口开始，经混流式叶轮，至出口导叶出口结束。该段流道在轴面投影图上的设计依据是流道中的液体速度均匀变化，符合过水断面面积沿流道中线的变化曲线规律。此外值得说明混流式叶轮为选择优秀的水力模型，进口导叶与出口导叶是从属设计。进口导叶为直叶片环形状；出口导叶为空间导叶结构，对其设计主要考虑两方面：一是水力性能满足要求，流道及叶片的设计与叶轮相匹配，避免引起噪声与振动；二是流道水阻力系数尽可能小，系数的大小与流道的长短有直接关系。综合这两方面，设计了三种流道。
在计算泵效率和扬程时采用单流道计算网格，分别采用AUTOGRID及IGG软件，生成网格数大约在150万左右；在计算转子固定时各个流量下的阻力系数与雷诺数时，采用全通道网格进行计算，网格数大约在750万左右。
3 流场计算分析
在模拟了泵正常运转情况下各零部件对其性能影响的条件下，用CFD软件进行分析计算，工作流体选用清水，内部流动考虑为不可压缩流体。分别计算三种方案下泵的效率、扬程以及水阻力系数值。这样能够比较全面、透彻的观察并分析其内部流场的流动规律，更好地指引水力设计。
通过模拟分析计算，结果如表1（流量：1197 m3/h）
对泵而言，在保证扬程合格的情况下效率越高越好，从计算结果看出1和3方案各有优点，处于两个边界。
4 结果分析
从CFD流场分析的图2图片上可以看出，泵三种方案的各过流部件在局部存在缺陷，红色部分所示，需要改进完善。
（1）从图2可以看出，进口导叶的出口边处与叶轮吸入口部分存在冲击与回流迹象。改进措施：一是通过修整该处流道拐弯弧度，削薄导叶叶片出口边厚度，头部倒小圆角，以改善此处流体的流动状态，使液体平稳进入叶轮。二是因为叶轮入口边处的液流角与叶片安放角稍有偏差，即冲角选择不是很理想，导致稍有冲击现象。采取修锉叶片进口边得背面，改善叶片局部形状及倒小圆角。
（2）从图2可以看出，叶轮出口与出口导叶入口部分的面积较叶轮出口边处的流道面积大很多，导致该区域液流分离严重，引起脉动。改进措施：一是完善导叶入口与叶轮出口段的轴面流道，使其整体面积变化均匀；二是考虑三种流道下扬程均偏低，可以对叶轮叶片出口边的背面进行修整，因为叶轮为混流式，通过增加外径的办法来提高扬程与离心式叶轮有点差异，修整出口边对水力性能的改善是很敏感的，所以通过经验略增加斜出口边外径，叶片与前盖板的最大外径不变。
（3）从图2可以看出，出口导叶的入口边与叶轮出口边的距离远近对流动的稳定性有所不同，其中三种方案的流体分离3方案最小。出口导叶喉部因流道拐弯严重均出现紊流，此处面积最小；叶片安放角与液流角在叶片根部不太吻合；导叶出口部分因流道的扩散程度不同而出现流体沿流道壁的分离程度不同。改进措施：一是为了使流体尽快稳定地流入导叶入口，导叶入口边尽量前伸；二是校正导叶喉部面积与叶轮出口面积的比例，根据经验及相关参考面积比不大于8%；三是通过计算对比导叶入口安放角与液流角的关系，合理选择冲角，也可以修整叶片入口边的厚度及倒小圆角，使叶片头部尽量薄；四是由图2及数据表可看出，1方案中流体在导叶出口部分的分离较小，水阻力系数大，3方案水阻力系数最小，流体分离最大，可看出水阻力系数与流道长短有关，以后试验证实流道越短，水阻力系数越小。故综合考虑，兼顾二者的关系，设计出最佳的流道。
5 结 论
在全面考虑泵实际几何形状的基础上，通过三维CFD流场分析计算，得出流体在三种设计流道下的水力性能与水阻力系数，且详尽直观三种流道下的内部流场分布所存在的利与弊。通过对流道缺陷的分析，提出改进与完善的措施，最后设计出最佳的水力流道，经过模型试验，水力性能与水阻力系数均得到了改善，基本上达到预想的结果。采用二维设计与三维分析法相结合的手段对新型泵及新水力模型的研究设计是很有价值的，从而最大限度的节省了人力、物力，缩短了设计周期。
参考文献
[1]沈阳水泵研究所主编. 叶片泵设计手册. 北京：机械工业出版社，1983.
[2]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件的理论与应用〔M〕.
北京：清华大学出版社，2004.