基于流动控制技术的低比转速离心泵叶轮研发陈红勋U，刘卫伟3，见文3，魏培茹3，朱兵1（1.上海大学上海市应用数学和力学研究所，上海200072；2.上海市力学在能源工程中的应用重点。

　　1.2数值计算11.0软件中基于有限元的有限体积方法对方程组离散，方程离散过程中引入形函数，将扩散项和压力梯度项采用形函数表示，对流项采用高分辩率格式。对流场的求解采用全隐式多网格耦合求解方法，同时求解动量方程和连续性方程。引入代数多重网格技术，可以有效控制网格规模和提高求解速度。在计算过程中监视压力和各方向动量的均方根残差，使其收敛于10-6，同时监视扬程误差，使其收敛于10-3.计算得到泵内的压力分布和流线如所示。

　　由可以看出：水泵每个流道内都存在一个很大的旋涡，该旋涡消耗能量，同时也堵塞了流道。

　　表明叶片表面边界层分离严重，这是低比转速离心泵效率低的主要原因。

　　2分流叶片2.1物理模型通过设置分流短叶片的方式抑制常规设计叶轮内的旋涡，以改善流态，使流道畅通，进而提高泵的效率。为两种分流叶片，分流叶片中心与相邻叶片背面的夹角分别为45°和36.排灌机械工程学报2.2数值计算计算得到的分流叶片泵内流线如所示。可以看出：设置分流短叶片的水泵在运行过程中每个流道内的流态得到了改善，不再有大的旋涡，但分流短叶片前端的流线还比较扭曲；改变分流短叶片位置后的水泵每个流道里的流态得到了进步改善，尤其是消除了短叶片前端流线扭曲的现象。

　　分流叶片泵内流线Fig.效率点流量为42. 36m3/h，大流量工况下分流叶片36°的泵对效率改善的效果比分流叶片45°的泵更明显；分流叶片使泵的高效点迁移到大流量，即水泵运行在大流量时，才能看出分流叶片对效率的贡献，而水泵运行在小流量时效率并没有显著提高。

　　3沟槽引流叶片3.1物理模型防止边界层分离方法是对边界层中阻滞了的流体供给能量，可在泵体内设专门装置，也可直接利用主流本身的能量提供能量。考虑到工艺简化、易于控制和不产生附加的能量损失，文中利用主流本身的能量抑制边界层分离。为有效利用和引导泵内的自身来流抑制边界层分离，笔者提出了沟槽引流叶片的设计方法，沟槽引流叶片如所示。在叶片吸力面和压力面之间加工出一条沟，利用沟两头的压力差，将高压流引向分离区的适当位置，以抑制边界层分离，提高水泵效率。

　　沟槽引流叶片Fig. 2.3性能试验笔者分别对常规叶片和两种分流叶片的泵进行了试验，其效率对比如所示。

　　常规叶片与分流叶片泵效率-流量对比Fig.5Efficiency―lowcomparisons由可以看出：常规设计叶片泵在流量为37m3/h时为效率高工况点，而分流叶片36°的泵高效率点流量为42.5m3/h，分流叶片45°的泵高3.2性能试验通过试验得到了沟槽引流叶片泵的性能曲线，并与上述3种叶片泵的性能曲线进行对比，如所示。

　　片片片片叶叶叶叶疏流流计弓分分设槽短短规构长长常4种叶片形式的泵的流量-效率对比图Fig.7Efficiency-flowcomparisons一缝隙射流叶片（大攻角）缝隙射流叶片（小攻角）长短分流叶片（30长短分流叶片（45）常规设计叶片（a）效率-流量（b）效率-比转速一缝隙射流叶片（大攻角）一缝隙射流叶片（小攻角）沟槽射流叶片一长短分流叶片（36"）-长短分流叶片（45）常规设计叶片从可以看出：沟槽引流叶片泵的高效率点流量为46.42m3/h，与常规设计叶片泵和分流叶片泵相比，沟槽引流叶片不仅扩大了泵的运行范围，而且在全工况下的效率都有所提高，尤其是大流量点，效率提高更大；沟槽引流叶片泵的效率曲线更加平坦，即高效区较宽。

　　4缝隙引流叶片4.1物理模型上述常规设计叶片的泵内流线在叶片入口附近开始发生了分离（见b），这与来流攻角有关。笔者认为，来流攻角对水泵性能的影响比较显著，也是引起边界层分离的原因，调整来流攻角可获得佳的来流条件。文中在叶片入口处进行改型，切割出定宽度的缝隙，前端控制来流攻角，来流通过缝隙冲到分离区，以抑制流动分离。在小攻角获得初步成功的基础上改变缝隙形式，进一步加强对流动分离的抑制。如为缝隙引流叶片示意图。

　　4.2性能试验通过试验分别得到了小攻角和大攻角缝隙引流叶片泵的性能曲线。与上述4种叶片形式的泵的性能进行对比，如所示。

　　由a可以看出：小攻角缝隙引流叶片泵的高效率点流量为51.52m3/h，大攻角缝隙引流叶片泵的高效率点流量为52.种叶片泵相比，缝隙引流叶片进步扩大了泵的运行范围；小攻角缝隙引流叶片泵在多工况点效率大幅提高，即使在小流量运行时效率也明显提高；大攻角缝隙引流叶片泵的运行效率在小攻角缝隙引流叶片泵的基础上实现了全工况范围内的进步提高。

　　b进一步证实了新型叶片对泵效率提高的5结论带有引流叶片的水泵与常规设计叶片泵相比，有引流叶片泵的运行范围并没有扩大，但改善了大流量的效率。

　　沟槽叶片可提高整个流量范围的泵效率，且扩大了流量范围。

　　缝隙引流叶片相比沟槽叶片可使泵在更大流量范围内运行，且整个工况范围内效率可大幅提高，缝隙引流叶片大攻角的情况效果好。

　　流动控制技术可用于提高低比转速离心泵的效率，引流叶片的提出也为低比转速泵的性能提高找到了一个新的途径。该两项技术成果已申请专利，其中一项已获得授权。

　　致谢：本研究工作得到了上海市科学技术委员会和上海市宝山区科学技术委员会的资助，资助课题编号为06ZR14032，10100500200，07-H-1.