劉在倫，王三臻，張靜敏，王金旋

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2. 甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

井用潛水泵作為一種通用機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于地下水的提取、地?zé)豳Y源的開發(fā)、石油開采等多個(gè)領(lǐng)域[1-3].井用潛水泵的外徑受到井徑的限制，揚(yáng)程的提高可以通過葉輪級(jí)數(shù)的增加來實(shí)現(xiàn)，但葉輪級(jí)數(shù)的增加會(huì)使泵軸長度大幅度增加，對(duì)機(jī)械密封和安裝使用的要求提高，泵的可靠性降低，同時(shí)也會(huì)使得制造成本倍增.因此，井用潛水泵的設(shè)計(jì)過程中必須考慮的核心問題是如何減小水力損失，從而提高泵的單級(jí)揚(yáng)程[4-5].

空間導(dǎo)葉作為能量轉(zhuǎn)換裝置，它不僅決定了潛水泵的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)還對(duì)潛水泵的性能有著較大的影響.有研究指出：空間導(dǎo)葉的水力損失約占潛水泵水力損失的40% ～50%[6].因此，對(duì)空間導(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高井用潛水泵性能的有效途徑之一.國內(nèi)外研究者對(duì)空間導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)已做了大量的工作.程效銳等[7]研究了導(dǎo)葉包角對(duì)井用潛水泵性能的影響，結(jié)果表明：增大導(dǎo)葉包角可以增強(qiáng)葉片對(duì)流道內(nèi)液體的約束，提高導(dǎo)葉的能量轉(zhuǎn)化能力.魏清順等[8]研究了導(dǎo)葉進(jìn)口安放角對(duì)井用潛水泵性能的影響，得到潛水泵高效運(yùn)行區(qū)間的進(jìn)口安放角閾值為27°～30°.周嶺等[9]研究了不同導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)井用潛水泵性能的影響.王洪亮等[10]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，在葉輪和導(dǎo)葉葉片數(shù)的組合下，對(duì)井用潛水泵的性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究.還有大量工作者針對(duì)導(dǎo)葉具體的幾何參數(shù)展開了細(xì)致的研究，為潛水泵設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了方向[11-14].

目前，對(duì)空間導(dǎo)葉的研究多局限于單個(gè)幾何參數(shù)的變化對(duì)潛水泵性能的影響，而對(duì)于導(dǎo)葉不同幾何參數(shù)之間的相互關(guān)系及其對(duì)泵性能影響的研究很少.文中圍繞最佳工況下空間導(dǎo)葉的特性方程，在導(dǎo)葉進(jìn)口安放角和進(jìn)口寬度的組合變化下，對(duì)多方案下的井用潛水泵進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，以期為井用潛水泵的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

1 潛水泵最佳工況點(diǎn)的確定

葉輪作為井用潛水泵的核心部件，它將能量傳遞給所輸送的液體介質(zhì)，使液體具有一定的能量.根據(jù)離心泵的基本方程和葉輪的出口速度三角形[15]，可以推得葉輪的特性方程為

(1)

式中：H為揚(yáng)程；D2為葉輪的出口直徑；ξ為有限葉片數(shù)的修正系數(shù)；β2為葉輪葉片出口安放角；ηv為泵的容積效率；b2為葉輪葉片的出口寬度；φ2為葉輪葉片出口排擠系數(shù)；n為葉輪的轉(zhuǎn)速；Qv為潛水泵流量；ηh為水泵的水力效率.

空間導(dǎo)葉是井用潛水泵重要的水力部件，它在井用潛水泵中起壓水室的作用[16]，即① 把葉輪出口的液體收集起來輸送到下級(jí)葉輪或出口管路；② 將葉輪出口液體的部分速度能轉(zhuǎn)化為壓能；③ 消除液體的環(huán)量.根據(jù)離心泵的基本方程和導(dǎo)葉進(jìn)口速度三角形，可以推得葉輪進(jìn)口無預(yù)旋時(shí)空間導(dǎo)葉的特性方程為

(2)

式中：b3為導(dǎo)葉進(jìn)口寬度；φ3為導(dǎo)葉進(jìn)口的排擠系數(shù)；α3為導(dǎo)葉進(jìn)口安放角.

(3)

式中：Hd為泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程；Qd為泵的設(shè)計(jì)流量.

故在最佳工況點(diǎn)下空間導(dǎo)葉的特性方程為

(4)

(5)

由式(5)可知，在潛水泵最佳工況點(diǎn)下，空間導(dǎo)葉葉片的進(jìn)口安放角和進(jìn)口寬度的選取具有一定的關(guān)系，理論上，當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)的選取滿足這一變化關(guān)系時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)潛水泵葉輪與空間導(dǎo)葉之間的匹配，減小導(dǎo)葉引起的水力損失，提升潛水泵的性能.

2 幾何模型及數(shù)值模擬方法

2.1 幾何模型

選取200QJ50型2級(jí)井用潛水泵作為研究對(duì)象，其總體水力設(shè)計(jì)參數(shù)：額定流量Q=50 m3/h，總揚(yáng)程H=26 m，葉輪級(jí)數(shù)2級(jí)，轉(zhuǎn)速n=2 850 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=179(根據(jù)單級(jí)揚(yáng)程計(jì)算)，泵的效率η=77%.潛水泵的葉輪在出口邊處斜切，葉輪后蓋板出口的壓力低于前蓋板出口的壓力，便于葉輪出口的液體由徑向轉(zhuǎn)為軸向，使液體介質(zhì)有足夠的過流空間.葉輪出口速度能的轉(zhuǎn)化和環(huán)量的消除與導(dǎo)葉的安放角密切相關(guān)，導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3可根據(jù)葉輪出口液體的軸向速度和徑向速度來確定.同時(shí)，為改善次級(jí)葉輪進(jìn)口處的流動(dòng)狀態(tài)，需要盡量消除導(dǎo)葉出口邊的環(huán)量，故取導(dǎo)葉的出口安放角α4=90°.模型泵過水部件基本設(shè)計(jì)參數(shù)中，葉輪外徑D2=132 mm，葉輪出口寬度b2=16 mm，葉輪葉片數(shù)Z1=6，葉輪葉片包角φ′1=100°；導(dǎo)葉軸向長度L=60 mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z=7，導(dǎo)葉葉片包角φ′2=90°，導(dǎo)葉出口角α4=90°.

為驗(yàn)證最佳工況下空間導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)之間的關(guān)系，文中在同一葉輪下，只改變導(dǎo)葉的進(jìn)口安放角α3和進(jìn)口寬度b3，保持其他幾何參數(shù)不變，建立16組設(shè)計(jì)方案，如表1所示.通過數(shù)值模擬分析導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)對(duì)井用潛水泵的性能和內(nèi)部流場的影響，并確定進(jìn)口安放角α3和進(jìn)口寬度b3之間的變化關(guān)系.

表1 導(dǎo)葉片進(jìn)口安放角與進(jìn)口寬度的組合方案

2.2 三維建模

根據(jù)井用潛水泵各過流部件的幾何參數(shù)，在Pro/E軟件中分別建立進(jìn)水段、葉輪、導(dǎo)葉和出水段的計(jì)算域模型，并進(jìn)行裝配.模型泵的計(jì)算域級(jí)數(shù)取2級(jí)，并對(duì)葉輪進(jìn)口段和導(dǎo)葉出口段進(jìn)行延伸處理，使流動(dòng)得到充分發(fā)展，最終確定的潛水泵計(jì)算域如圖1所示.

圖1 潛水泵2級(jí)計(jì)算域

2.3 網(wǎng)格劃分及其無關(guān)性驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確傳遞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[17-19]，保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，同時(shí)能夠加速收斂，節(jié)省計(jì)算資源.文中使用ANSYS-ICEM軟件對(duì)各計(jì)算域均進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為了更為準(zhǔn)確地模擬葉片附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)靠近葉片的區(qū)域進(jìn)行邊界層加密.圖2為葉輪和空間導(dǎo)葉計(jì)算域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.

圖2 葉輪和導(dǎo)葉單流道計(jì)算域網(wǎng)格

為降低網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，文中通過改變各計(jì)算子域的全局最大網(wǎng)格尺寸來控制整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)目.隨著全局最大網(wǎng)格尺寸的減小，模型泵揚(yáng)程值和效率值均趨于穩(wěn)定.當(dāng)全局最大網(wǎng)格尺寸小于1.5 mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果影響不大，考慮到計(jì)算的周期與準(zhǔn)確性，在后續(xù)研究中采用402萬網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬.

2.4 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬在ANSYS-Fluent19.0中進(jìn)行，以模型泵內(nèi)流道為數(shù)值模擬的計(jì)算域，葉輪與導(dǎo)葉等其他靜止域通過交界面連接，兩域交界面上的信息傳輸通過動(dòng)靜部件的運(yùn)動(dòng)特性來實(shí)現(xiàn).設(shè)定整個(gè)流道區(qū)域?yàn)椴豢蓧嚎s穩(wěn)態(tài)湍流流場，建立相對(duì)坐標(biāo)系的雷諾時(shí)均N-S方程.設(shè)置進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，出口邊界條件為自由出流，固體壁面采用無滑移的邊界條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.選用適應(yīng)性較好的RNGk-ε模型，壓力-速度耦合器采用SIMPLEC算法，收斂精度設(shè)為10-5以保證數(shù)值模擬的精度.

3 模型驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性，對(duì)模型泵進(jìn)行了能量試驗(yàn).試驗(yàn)泵與模型泵為相同型號(hào)泵，基本參數(shù)相同.葉輪和導(dǎo)葉采用聚甲醛樹脂材料來制造，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，減輕整臺(tái)泵的質(zhì)量，減小泵軸所承受的軸向力.能量試驗(yàn)在開式試驗(yàn)臺(tái)上完成，圖3為試驗(yàn)裝置的總框架圖.試驗(yàn)臺(tái)采用電動(dòng)球閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，電磁流量計(jì)采用精度等級(jí)為0.5級(jí)的DN65型電磁流量計(jì)來采集流量信息.

圖3 泵性能試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 井用潛水泵能量特性驗(yàn)證

在相同工況下對(duì)試驗(yàn)泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到井用潛水泵能量特性曲線，如圖4所示.結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在0.4～1.6倍的額定流量工況內(nèi)，泵的模擬預(yù)測值與試驗(yàn)值隨流量的變化規(guī)律基本一致.在額定工況下，數(shù)值模擬的揚(yáng)程和效率的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，誤差均在4%左右，而在小流量和大流量工況下誤差雖有增大，但數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值之間的誤差不超過6.8%.考慮到數(shù)值模擬過程中忽略了密封處的泄漏帶來的容積損失和圓盤摩擦損失，故該誤差在允許的范圍內(nèi)，因此用數(shù)值模擬的方法對(duì)泵的性能預(yù)測和內(nèi)部流場分析是可靠的.

圖4 模型泵性能曲線

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 泵在設(shè)計(jì)工況下的性能預(yù)測

通過數(shù)值模擬，得到了同一葉輪與不同導(dǎo)葉組裝成的潛水泵在設(shè)計(jì)工況的性能預(yù)測值.圖5為不同進(jìn)口幾何參數(shù)的導(dǎo)葉下潛水泵揚(yáng)程的變化曲線.

圖5 潛水泵在導(dǎo)葉不同進(jìn)口幾何參數(shù)下的揚(yáng)程變化曲線

由圖5a可知，在導(dǎo)葉葉片進(jìn)口安放角α3=18°，21°，24°下，泵的揚(yáng)程隨著進(jìn)口寬度的增大呈先增大后減小的變化趨勢，且在各進(jìn)口安放角下，導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=16 mm時(shí)都獲得最大的揚(yáng)程.當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3=27°，泵的揚(yáng)程隨著進(jìn)口寬度的增加而急劇下降.這是因?yàn)閷?dǎo)葉進(jìn)口安放角過大，液體在導(dǎo)葉葉片進(jìn)口處發(fā)生較大沖擊，且葉片進(jìn)口寬度的增加使空間導(dǎo)葉喉部面積增大，加劇了葉片背面的脫流，形成不穩(wěn)定的分離渦，導(dǎo)致液體在空間導(dǎo)葉內(nèi)的能量損失增大，泵的揚(yáng)程急劇下降.在不同空間導(dǎo)葉進(jìn)口寬度下，進(jìn)口安放角的變化對(duì)揚(yáng)程的影響規(guī)律比較復(fù)雜，如圖5b所示.當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=14 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程隨進(jìn)口安放角的增大而增大，但增大幅度很小，尤其在進(jìn)口安放角α3=24°～27°時(shí)，泵的揚(yáng)程基本不變；當(dāng)b3=16 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程隨進(jìn)口安放角的增大呈先增大后減小的趨勢，且在進(jìn)口安放角α3=21°時(shí)，揚(yáng)程有最大值；當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=18 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程隨著導(dǎo)葉進(jìn)口安放角的增大而減小，且在α3=18°時(shí)，揚(yáng)程有極大值；當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=20 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程隨進(jìn)口安放角的增大變化很小，這是由于進(jìn)口寬度的增加使得空間導(dǎo)葉喉部面積過大，空間導(dǎo)葉內(nèi)部的擴(kuò)散損失加大，進(jìn)口安放角的取值對(duì)于導(dǎo)葉內(nèi)部的流動(dòng)影響很小.

圖6為潛水泵在空間導(dǎo)葉不同進(jìn)口幾何參數(shù)下的效率變化曲線.

圖6 潛水泵在空間導(dǎo)葉不同進(jìn)口幾何參數(shù)下的效率變化曲線

由圖6a可以看出，隨導(dǎo)葉葉片的進(jìn)口寬度的變化，泵的效率變化趨勢與其揚(yáng)程的變化趨勢基本相同.在導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3=18°，21°，24°時(shí)，泵的效率都隨著進(jìn)口寬度的變化呈先增大后減小的趨勢，且在各進(jìn)口安放角下，進(jìn)口寬度b3=16 mm時(shí)，效率出現(xiàn)最大值；當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α3=27°，泵的效率隨著進(jìn)口寬度的增大而急劇下降，這是因?yàn)檫M(jìn)口安放角過大時(shí)，泵的揚(yáng)程隨著導(dǎo)葉進(jìn)口寬度急劇下降，而軸功率略有上升，這是泵的效率急劇下降的主要原因.泵的效率隨著導(dǎo)葉葉片進(jìn)口安放角的變化趨勢與其揚(yáng)程的變化趨勢略有區(qū)別，如圖6b所示，當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=14 mm時(shí)，泵的效率隨進(jìn)口安放角的增大基本保持不變，這是由于泵的揚(yáng)程和軸功率都隨進(jìn)口安放角增大而增大，且增長的速率相同，故泵的效率基本保持不變；當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3=16 mm時(shí)，泵的效率隨進(jìn)口安放角的變化呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且在進(jìn)口安放角α3=21°時(shí)，效率有最大值；當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口寬度b3為18和20 mm時(shí)，泵的效率隨著進(jìn)口安放角的增大而減小，且效率極大值均出現(xiàn)在α3=18°時(shí).

4.2 空間導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)模擬值與理論值對(duì)比

由數(shù)值模擬可知，進(jìn)口寬度不同的導(dǎo)葉在不同的進(jìn)口安放角下，泵的揚(yáng)程和效率都出現(xiàn)了極值，且在b3=16 mm，α3=21°時(shí)，揚(yáng)程和效率均是最高的，說明該進(jìn)口幾何參數(shù)組合下的空間導(dǎo)葉實(shí)現(xiàn)了與潛水泵葉輪的最佳匹配. 在不同進(jìn)口寬度的空間導(dǎo)葉下，導(dǎo)葉片進(jìn)口安放角的最佳取值隨著進(jìn)口寬度的增大而減小，符合最佳工況下空間導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)之間的變化關(guān)系，即導(dǎo)葉葉片進(jìn)口寬度b3取較小值時(shí)，進(jìn)口安放角α3應(yīng)取較大值；空間導(dǎo)葉葉片進(jìn)口寬度b3取較大值時(shí)，進(jìn)口安放角α3應(yīng)取較小值.

通過最佳工況下空間導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)之間的變化關(guān)系式(5)，代入給定的進(jìn)口寬度b3值來求解各進(jìn)口寬度下理論的進(jìn)口安放角α3的值，如表2所示.

表2 空間導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)模擬值與理論值對(duì)比

在進(jìn)口寬度b3=14，16，18和20 mm時(shí)，與不同進(jìn)口寬度相對(duì)應(yīng)的進(jìn)口安放角理論值與模擬值非常接近，兩者的差值不超過1°，考慮到潛水泵最佳工況的確定是在葉輪進(jìn)口無預(yù)旋的條件下進(jìn)行的，而潛水泵除首級(jí)葉輪外，其他次級(jí)葉輪進(jìn)口均不滿足條件，故兩者存在一定的誤差是合理的.所以，取合理的導(dǎo)葉進(jìn)口寬度，將其代入最佳工況下空間導(dǎo)葉的特性方程式(5)，能確定相對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)口安放角，可以獲得與潛水泵葉輪良好匹配的空間導(dǎo)葉.

4.3 空間導(dǎo)葉內(nèi)部流場分析

在井用潛水泵的設(shè)計(jì)工程中，一般對(duì)葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)液體介質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)行一系列的假設(shè)，用特定規(guī)律的流動(dòng)來代替葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)[20].但在潛水泵實(shí)際運(yùn)行過程中，其內(nèi)部流動(dòng)的規(guī)律極為復(fù)雜，為進(jìn)一步探尋導(dǎo)葉不同進(jìn)口幾何參數(shù)下潛水泵的性能與內(nèi)部流場分布之間的關(guān)系，對(duì)不同方案下的導(dǎo)葉內(nèi)部流場進(jìn)行對(duì)比分析.在實(shí)際運(yùn)行過程中，潛水泵次級(jí)葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流動(dòng)更為復(fù)雜，故選擇方案4、方案6、方案8和方案16下的次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部流場進(jìn)行分析.

導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)的選取不僅影響流體在導(dǎo)葉進(jìn)口的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)導(dǎo)葉進(jìn)口的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)影響其下游區(qū)域的穩(wěn)定性，故取導(dǎo)葉內(nèi)部靠近進(jìn)口的某一軸截面上的流場信息可以反映導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)的變化對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)部流場的影響情況.文中取次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部L/4的軸截面進(jìn)行流場分析，如圖7所示.

圖7 潛水泵次級(jí)葉輪和導(dǎo)葉截面位置示意圖

圖8為不同方案下次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)L/4軸截面處的湍動(dòng)能K分布云圖(從導(dǎo)葉進(jìn)口看，流體沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)).由圖可以看出，隨著導(dǎo)葉葉片進(jìn)口安放角和進(jìn)口寬度的變化，導(dǎo)葉內(nèi)部的湍動(dòng)能有著明顯的變化.方案6和方案8是同一導(dǎo)葉進(jìn)口寬度下不同進(jìn)口安放角的對(duì)比，由湍動(dòng)能分布云圖8b，8c可知，隨著進(jìn)口安放角的增加，導(dǎo)葉內(nèi)的湍動(dòng)能激增，在靠近導(dǎo)葉壓力面?zhèn)却嬖诟咄膭?dòng)能區(qū).這是由于隨著導(dǎo)葉進(jìn)口安放角的增加使得流體在導(dǎo)葉葉片進(jìn)口有較大的沖擊，液體在導(dǎo)葉葉片的進(jìn)口處產(chǎn)生脫流，脫流產(chǎn)生的旋渦向?qū)~葉片工作面附近的區(qū)域發(fā)展，影響導(dǎo)葉葉片能量轉(zhuǎn)化的能力，使得泵的揚(yáng)程降低.方案4、方案8和方案16為同一導(dǎo)葉進(jìn)口安放角下不同進(jìn)口寬度的組合，對(duì)比湍動(dòng)能分布云圖8a,8c,8d可發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)葉進(jìn)寬度的增大，導(dǎo)葉內(nèi)部的湍動(dòng)能急劇增加，且高湍動(dòng)能區(qū)域面積變大.這是由于旋轉(zhuǎn)流體從葉輪出口流入導(dǎo)葉進(jìn)口過程中，流體速度的方向由徑向轉(zhuǎn)為軸向，產(chǎn)生大量的旋渦，使得導(dǎo)葉進(jìn)口的流動(dòng)狀態(tài)比較紊亂，且空間導(dǎo)葉喉部面積的增加，不能有效抑制旋渦的演變，使得空間導(dǎo)葉內(nèi)局部區(qū)域的旋渦運(yùn)動(dòng)加劇，并產(chǎn)生二次流動(dòng).

方案4和方案6為導(dǎo)葉不同進(jìn)口安放角與不同進(jìn)口寬度下的組合方案，對(duì)比同一軸截面上湍動(dòng)能分布云圖8a,8b知，方案4下的湍動(dòng)能明顯多于方案6，即方案6下導(dǎo)葉的流動(dòng)更穩(wěn)定.湍動(dòng)能的分布與最佳工況下導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)之間的變化關(guān)系一致，即在較大的進(jìn)口寬度下，取較小的進(jìn)口安放角時(shí)，導(dǎo)葉內(nèi)的湍動(dòng)能更小.綜合對(duì)比方案6、方案4、方案8和方案16下同一軸截面上的湍動(dòng)能云圖發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉進(jìn)口安放角取較大值時(shí)，進(jìn)口寬度取小值，或?qū)~進(jìn)口寬度取較大值時(shí)，進(jìn)口安放角取小值，這有助于促進(jìn)導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定.

圖8 不同組合方案下次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)L/4軸截面上的湍動(dòng)能分布

圖9為不同組合方案下次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)L/4軸截面的靜壓分布.由圖可知，各組合方案下同一軸截面上的靜壓分布趨勢基本相同，在導(dǎo)葉片吸力面靠近輪轂區(qū)域壓力較低，這是由于液體在導(dǎo)葉進(jìn)口產(chǎn)生較大沖擊，形成局部旋渦區(qū)，造成導(dǎo)葉進(jìn)口下游壓力降低.而在靠近導(dǎo)葉片壓力面的區(qū)域壓力都普遍較高，液體在該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定，導(dǎo)葉葉片盡可能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能.在不同方案下該軸截面上的壓力分布又有所區(qū)別，隨著導(dǎo)葉進(jìn)口安放角和進(jìn)口寬度的增大，軸截面上的壓力整體下降，且低壓區(qū)的面積擴(kuò)大，但方案6下軸截面上的壓力明顯高于其他方案，說明該組合方案下的導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)能夠使導(dǎo)葉內(nèi)部的流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，這也是方案6的揚(yáng)程高于其他方案的原因.

圖9 不同組合方案下次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)L/4軸截面的靜壓分布

5 結(jié) 論

1) 通過井用潛水泵運(yùn)行最佳工況點(diǎn)的確定，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉進(jìn)口安放角和進(jìn)口寬度的選取滿足最佳工況下空間導(dǎo)葉的特性方程時(shí)，可實(shí)現(xiàn)潛水泵葉輪與導(dǎo)葉之間良好的匹配，減小導(dǎo)葉引起的水力損失，提升泵的性能.

2) 通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算得出，不同進(jìn)口寬度下的導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)口安放角的模擬值與理論值之間的差值不超過1°，說明根據(jù)最佳工況處空間導(dǎo)葉的特性方程來確定其進(jìn)口幾何參數(shù)有一定的準(zhǔn)確性.

3) 通過分析導(dǎo)葉內(nèi)部L/4軸截面上的流場信息發(fā)現(xiàn)液體在導(dǎo)葉片吸力面靠近輪轂的位置容易發(fā)生脫流，形成局部低壓區(qū)，當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)口幾何參數(shù)的選取越偏離最佳工況點(diǎn)下導(dǎo)葉的特性方程時(shí)，這種脫流現(xiàn)象越嚴(yán)重，低壓區(qū)的面積也會(huì)越大.