深井离心泵是一种细长形的立式多级泵，是抽取地下水的主要设备，在农村、工厂、矿山、自来水公司、地质勘探、铁路、地热开发和油田等领域都有广泛的应用。由于受井径的限制，深井离心泵的叶轮直径比较小，单级扬程比较低，要达到抽取深井地下水的目的，就需要很多级叶轮。企业为了降低生产成本，把提高深井离心泵的单级扬程和减小导叶的轴向尺寸作为重要的技术指标。

　　导叶的主要作用是收集从叶轮中流出的液体，并将其输送到下一级叶轮入口或泵出口，将液体的速度能转换为压力能，并基本消除液流的旋转速度，因此导叶是一个重要的速度能转换装置，其设计的好坏对深井离心泵性能有着重大影响，有资料表明导叶内的水力损失约占泵内水力损失的40°50°.因此，在重视叶轮设计的同时，不容忽视导叶的设计。对于导叶的设计，已有一些初步的研究。查森等建立了多级离心泵导叶内流场的计算模型，并编制了计算程序；杨敏官等对空间导叶内部流动进行了分析，讨论了多工况下的流场分布差异；杨方飞等分析了空间导叶内部的速度场、压力场等流动特性，进而评估了水泵的水力性能；张学静等对多级导叶式离心泵导叶内部流动进行了CFD计算分析。然而总的来说，这些研究并没有提出一些提高深井离心泵性能的关键技术措施。

　　本文针对一典型的150Q20型深井离心泵，分别设计了三维曲面和圆柱形2种导叶，通过数值模拟分析了其压力转换能力，将泵性能较优的采用三维曲面导叶的模型进行了样机试制和试验研究，并将数值模拟结果和试验结果进行了对比分析，从而证实三维曲面导叶较传统的圆柱形导叶具有较小的水力损失，较高的水力性能。本文的研究结果可以为进一步改进导叶的水力设计方法提供。

　　1水力模型1.1基本参数本文选用的150Q20型深井离心泵系“国家科技人员服务企业行动项目”中研究的水泵，其基本设计参数：g=20m3/h、扬程丑=65m、转速=2 1.2叶轮设计采用自主提出的深井离心泵叶轮极大扬程设计法，为把深井离心泵的单级扬程提高到大，取叶轮前盖板的直径略小于泵体内壁直径，且叶轮出口斜切。通过Pro/E建模，得到的叶轮模型如所示。

　　叶轮Fig.1基金项目：国家科技人员服务企业行动项目（2009GC30002）；江苏高等学校优秀科技创新团队计划项目；江苏高校优势学科建设工程资助项目。

　　―），男，河南南阳人，博士，主要从事泵的研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013. 1.3三维曲面导叶的设计设计了一种用于150Q20型深井离心泵的新型三维曲面导叶，它的叶片工作面（凹面）是三维曲面，叶片背面（凸面）是圆柱面。其基本结构形式如所示。

　　三维曲面导叶的叶片型线是采用变角对数螺线来绘制的，这样便于控制导叶叶片的进口安放角。变角对数螺线的方程为为导叶外部半径，m；r为对应于角度0处的半径值，m；怂为导叶叶片进口安放角，rad；戽为导叶叶片出口安放角，rad；供为叶片包角，rad.三维曲面导叶的主要特点如下：导叶进口部分是扭曲的，其叶片进口安放角按照三条流线分别计算出来的液流角合理取值。

　　导叶出口部分是圆柱形的。

　　导叶中间部分，其叶片凸面全是圆柱形二维曲面，但导叶凹面仍是三维曲面并且与导叶进口曲面和导叶出口圆柱面光滑连接。

　　b.实体模型三维曲面导叶Fig.2以上3个设计特点中的关键是条，这是三维曲面导叶与常规反导叶的主要区别，也是这种新型反导叶降低水力损失的主要措施。

　　1.4圆柱形导叶的设计为了研究三维曲面对导叶性能的影响，设计了一个圆柱形导叶，如所示，其叶片型线、轴向尺寸与中的导叶完全相同。的不同之处在于，它的工作面也是圆柱形的。

　　b.实体模型圆柱形导叶Fig.3 2数值模拟2.1控制方程组深井离心泵的过流部件由进口段、若干级叶轮和导叶体组成。采用固系于旋转叶轮上的相对系，转速为2850r/min.设整个流道内部流场为三维不可压稳态黏性湍流场，建立相对坐标系下时均连续方程、动量方程，并采用k-e双方程湍流模型来封闭。

　　2.2建立整体计算模型2.2.1工作介质属性在常温常压下介质为清水，密度为定值2.2.2计算区域网格划分及计算模型选取在Pro/E中分别对进口段、叶轮、导叶等进行建模，装配关系如所示。随后将计算模型导入GAMBIT2.2中进行网格划分。在全流域内采用非结构化四面体网格划分，这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题特别有效。

　　计算模型Fig.4以深井离心泵的两级泵壳内流道为计算区域，采取全流道方式，同时将整个计算区域分为泵的进口段与叶轮室的旋转部分和包括反导叶区的静止部分，两个子区域之间联接的平面作为分界面。对于旋转部分和静止部分之间的耦合，通过计算比较，采用多坐标系模型（MRF）的定常计算结果进行泵的数值模拟。

　　2.2.3边界条件边界条件设置如下：首级叶轮进口为无旋流动，设进口面中心处为压力点，其相对压力为零；出口流动假设为充分发展状态，设为出流（outflow）形式。固壁面无滑移，即壁面上各向速度均为0.对近壁面的湍流流动按标准壁面函数法处理。

　　2.2.4数值算法及求解控制参数应用SIMPLEC算法，采用二阶迎风格式离散差分方程，在FLUENT6.2中进行数值模拟计算。代数方程迭代计算采取亚松弛，各项系数分别为：压力亚松弛系数0.3，动量亚松弛系数0.7，湍动能亚松弛系数0.8，湍动能耗散率0.8.设定收敛精度为10-5. 3数值模拟结果与分析3.1导叶的压力转换能力分析导叶的一个重要功能是将液体的速度能转换为压力距工作面离/mm b.次级导叶圆柱形导叶上的静压分布能，为了较为直观、量化地分析导叶转化压力能的能力，在2个导叶的工作面（凹面）的相同位置分别取3条监测线，来分析监测线上不同位置点的静压变化情况。3条监测线的具体位置如所示。

　　监测线位置Fig.5通过数值模拟，分别得到了2种导叶的监测线在额定流量下的静压变化趋势，如、所示。

　　距工作面距离/mm从图中可以看出，同一种导叶的首级与次级相同位置监测线上的静压分布基本相同。从导叶进口边至出口边，静压值逐渐增加，导叶将从叶轮中流出的高速液体的动能逐渐转化为压力能。

　　对于三维曲面导叶，3条监测线轴向压力梯度变化较大，径向静压增加趋势也十分显著，这说明三维曲面导叶具有较高的压力转换能力。圆柱形导叶的轴向压力梯度变化较小，导叶底部的2条监测线上的静压分布基本重合，径向静压增加趋势较为平缓，同时在导叶入口静压骤然增加，冲击较大，整个导叶流道内流动损失较大，压力转换能力较低。另外，对于首级三维曲面导叶，在监测线上高静压约达到了143kPa，而首级圆柱形导叶上的高静压只有大约135kPa，这进一步说明传统的圆柱形导叶的设计并不合理，流道内的流动损失较大。

　　3.3外特性分析通过数值模拟得到了分别装配2种导叶的深井离心泵的效率和单级扬程，其随流量的变化如所示。

　　距工作面距离/mm b.次级导叶三维曲面导叶上的静压分布a.泵效率s/骢堪弱蛴▲一监测线1一监测线2 -监测线3 b.单ss级扬程装配不同导叶的外特性对比距工作面距离/mm a.首级导叶从图中可以看出，装配了三维曲面导叶的泵效率和单级扬程均高于圆柱形导叶。在额定流量点，装配了三维曲面导叶的泵效率高于圆柱形导叶约5.48°，单级扬程高于圆柱形导叶约0.77m.这进一步证实了相对于圆柱形导叶，三维曲面导叶具有较高的压力转换能力，导叶流道内流动损失较小。

　　4试验结果与对比分析为了进一步分析数值模拟的准确性，将性能较优的采用三维曲面导叶的150Q20型深井离心泵6级模型采用精密铸造进行了加工制造，并进行了外特性试验。

　　显示了试验得到的装配三维曲面导叶的泵效率及单级扬程与数值模拟结果的比较，从图中可以看到，数值模拟结果得到的单级扬程高于试验值5左右，效率高于试验值3左右。究其原因，可能是本文的数值模拟中假定叶轮进口密封端面轴向间隙完全密封，没有考虑端面密封处的泄漏带来的容积损失。但两种方法得到的结果随流量变化的趋势基本上相吻合，尤其是在泵工作流量区间内（0.81.2倍额定流量），数值模拟得到的效率与试验值的偏差为1左右。这也证实了利用数值模拟的方法来预测深井泵性能的可行性。同时也证明了上文中将分别装配2种导叶的模型数值模拟结果进行对比分析的准确性。试验结果表明，采用三维曲面导叶的泵在额定流量点的效率为66.59，单级扬程为10.9m，效率值超过了国家标准（GB2816-2002）中泵效率64的要求。

　　b.单级扬程数值模拟结果与试验结果对比5结论数值模拟结果表明，对比于圆柱形导叶，三维曲面导叶更符合水流流动趋势，入口冲击小，流道内流动损失较小，具有较高的压力转换能力；2种导叶的首级导叶与次级导叶上的静压变化趋势基本相同；采用三维曲面导叶的泵效率和单级扬程均高于圆柱形导叶。

　　将多工况的数值模拟结果与样机试验结果对比发现，数值模拟得到的泵效率、单级扬程随流量的变化趋势与试验结果基本一致。在泵工作流量区间内，数值模拟得到的效率与试验值的偏差约为1.这也进一步证实了利用数值模拟的方法来预测深井离心泵性能的可行性。

　　三维曲面导叶具有较高的压力转换能力，可以推广、替代圆柱形导叶。

　　本文的研究成果为拓展导叶的设计思路，完善和优化导叶设计方法，进一步提高深井离心泵性能奠定了基础。

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