塑料井泵新型轴向导叶的设计及内流场研究

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深井泵广泛应用于国民经济各个领域,而导叶设计优劣对水泵性能有着重要影响。较传统的金属导叶,塑料材质由于质量轻、化学性稳定、表面光滑等优点备受关注,因其成本较低,注塑工艺在水泵生产中所占比重也越来越大。  径向导叶叶片结构简单,主要为圆柱形,注塑加工的模具制造成本比较低;而空间导叶叶片形状为空间扭曲形,模具制造成本比圆柱形叶片高4倍左右。因此,塑料井泵中大多选用径向导叶,但在大流量工况下,采用径向导叶的水泵水力性能并不理想,基于上述背景,以提高水泵性能、降低生产成本及拓宽塑料井泵应用范围为目的,本文在传统导叶设计方法的基础上,成功设计出一种新型轴向导叶,并根据该轴向导叶的相关设计参数,对应设计了一个径向导叶和一个空间导叶,分别将这三种导叶与同一叶轮进行匹配得到三组井泵模型,基于CFD计算软件对三组井泵模型进行了三维全流场数值模拟,并对计算结果进行了对比分析。此外,结合市场需求,根据本文提出的新型导叶设计方法,成功设计出一个额定流量为22.5 m3/h的轴向导叶和井泵,并进行了模型开发和试验验证。主要研究内容及取得的创新成果如下:  (1)新型轴向导叶的成功设计打破了塑料井泵应用的局限,用扭曲段进口代替圆柱段进口,将导叶叶片分为圆柱段和扭曲段两部分,扭曲段和圆柱段之间的交界面恰好可以作为模具的分型面。分模时,在扭曲面部分,正面向正面侧分模,背面向背面侧分模。在圆柱面部分,两侧都可自由分模,不仅拓宽了导叶应用范围,实现了中高比转速水泵注塑成型工艺,大大提高了生产效率和降低了生产成本,与空间导叶相比,还可以大大缩短井泵的轴向距离。  (2)选取三组井泵模型前两级进行三维全流场定常数值计算,对比发现,无论从效率角度,还是从扬程角度,空间导叶均最优;但与径向导叶相比,采用该轴向导叶的井泵水力性能有较大的提升。因此从外特性角度来看,塑料井泵中完全可以采用轴向导叶代替径向导叶。  (3)通过不同工况下首级导叶和次级导叶中截面静压分布对比,发现在小流量工况下,径向导叶压力转换能力最强,且轴向导叶进口处出现回流的可能性最大,随着流量增加,各导叶进口处低压区范围逐渐缩小。空间导叶和轴向导叶能很好适应大流量工况,在大流量工况下可以获得较优的水力性能。  (4)通过3种导叶额定工况下内流场对比,发现在额定工况下空间导叶内部流动最稳定,轴向导叶次之。轴向导叶由于叶片结构的特殊性,在流道中间部分出现少量旋涡,而径向导叶在进口区域出现大量旋涡,表明径向导叶进口设计还存在一些问题。  (5)在3种导叶内部分别选取其中一个流道,并在该流道内从导叶进口至出口依次作8个截面(尽量接近过流截面),对比每个截面的静压变化和总压变化,结合导叶内损失比,发现首级空间导叶内能量损失最小,而次级轴向导叶内能量损失最小。  (6)通过压力脉动对比分析发现,压力脉动信号主要来自于叶轮,在向导叶传输的过程中脉动信号呈衰减趋势;从导叶至导叶出口,各导叶内的压力脉动幅值均呈现下降趋势;叶轮与导叶交界面上压力脉动主要由导叶和叶轮之间动静干涉引起,该区域转频对压力脉动的影响占据主导地位;空间导叶内压力脉动最稳定,径向导叶次之,轴向导叶由于叶片结构的特殊性,内部压力脉动还存在不稳定因素;首级空间导叶具有最强的压力转换能力,次级轴向导叶压力转换能力最强。  (7)试验得到的曲线与数值计算得到的井泵外特性曲线趋势基本一致,通过样机试验,发现该新型轴向导叶在小井径、大流量的工况下可获得相对较优的水泵性能,本文提出的新型轴向导叶适用于大流量的工况,但相比于设计理论已较为成熟的空间导叶,新型轴向导叶还存在改进的空间。
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