张鹏，王晓静
摘要：比较网格法与三角法设计叶片的效果，通过人为调控的方法限定三角法中叶片包角的大小，设计出高效叶轮，并用fluent软件模拟设计效果，提出改进意见及措施。
关键词：水泵；三角法；包角；fluent；高效
中图分类号：TK284.7文献标识码：A文章编号：1004一7948(2005)12一0035一02
1前言
电厂的循环水泵在设计初期，由于安全裕量的关系，所选型号下的扬程或流量较大，致使在实际运行中泵的运行工况点偏离最佳工况点较远，导致运行效率降低，甚至发生汽蚀。针对这种状况通常对循环水泵实施改造，保留蜗壳不变，依据现实运行数据确定泵的最佳流量与扬程，重新设计叶片，修改叶片的型线，从而提高效率。
叶片的设计过程中，通常采用的是网格法，这种方法在网格线上很容易控制叶片的包角，并且方便调节叶片进出口角，给设计带来极大的方便。然而不足的是这种方法设计的叶片流场效果不是很好，流线的扭曲有时也挺严重的。这在实际运行中增加了流体的能量损失，降低泵的运行效率。因此引入三角型法来设计叶片，此法所设计的叶片流场效果很好，但不足的是此法无法控制叶片包角的大小，最终导致叶片无法绘制成功。因此需要摸索一个小的技巧，来实现三角法中叶片包角的控制。并且运用流体模拟软件fluent来进行验证设计效果，取得令人欣喜的成功。
2三角法实现叶片包角的控制
由于在泵的改造过程中，要保留蜗壳不变，因此在泵的叶片设计时要保留泵的原有基本尺寸不变，例如外径、进出口宽度等。有时叶片的包角也要控制在一定的范围内。叶片包角直接影响到叶片的型线，从而影响叶片的效率。
以郑州热电厂20MW机组循环水泵改造为例。比较网格法与三角法的设计效果。在此泵叶片的设计过程中，叶片包角控制在93°～96°之间。也就是从前盖板的第一条流线开始从93°逐渐过渡到后盖板最后一条流线96°。在绘制流线过程中采用了五条流线。
2.1网格法中叶片包角的控制（见图1）
图120MW循环水泵叶片网格法型线绘制
在网格法绘制叶片型线时，叶片包角的控制很容易实现。以郑州热电厂20MW循环水泵叶片设计为例，取第一条流线，即前盖板处流线。因为在流线分点时确定的相邻轴面间的夹角△φ为5°，因此方格网上每相邻纵线间间隔为5°，其间距是20（间距大小可自定）。于是确定93°的位置在第十八条纵线左边距离为12的位置。其他四条流线依次递增0.75°。
2.2三角法中叶片包角的控制
在三角法设计叶片时，因为没有方格网的限制，叶片的包角有些难以控制。一些设计手册上是先作中间流线的叶片绘型，然后其他流线从进口边向出口边作去，用以保证叶片的进口边位于一个轴面内，出口边则不在一个轴面内。当出口边几条流线相差很远时，移动流线的投影位置，于是进口边又不在同一轴面内。然而在实际设计过程中，由于流线的包角从前盖板到后盖板依次增大，有时相差很多，单单移动出口边几条流线的位置根本无法实现叶片的成功绘型。图2为郑州热电厂20MW循环水泵叶片三角法绘制叶片型线的平面投影图。
从图中可以看出，叶片流线的包角相差很多。从前盖板的第一条流线即图中最上边那一条的包角70°左右，到后盖板最后一条流线的包角155°。如果依据手册中所说，将进口边限定在同一轴面内，则出口边相差几乎80°。这在实际的叶片中是不可想象的，即便调节出口边的几条流线的位置也很难达到满意的效果。
为了控制叶片的包角，在设计过程中采取了如下方法。因为有五条流线，从93°逐渐过渡到96°。在完成图2的绘制以后，量取每条流线的包角大小，找到接近所要控制包角的流线，并根据流线形状选取一条作为参考。此图中选定第三条流线，其包角大小为108°，所要控制的包角为94.5°，两者比较接近，并且此条流线的形状较好。确定了参考流线后，从其出口端开始到圆心作一直线，然后以此直线为始边，依逆时针方向作一直线使两直线的夹角为94.5°。所作直线为叶片的进口边。然后以圆心为旋转中心，旋转其他流线，在出口边依次间隔0.75°。这样五条流线在出口边从93°均匀过渡到96°。接着作叶片进口边。对于包角大于94.5°的流线，如第三、四、五条流线，可以截断。对于包角小于94.5°的流线可以延长。对于第一条流线来说，涉及到前盖板，所以应该先从轴面投影图上依据进口边的位置，确定其在平面投影图上的位置。具体来说就是以轴面投影图上第一流线进口边到轴心的距离为半径，以平面投影图上圆心为圆心画圆交与平面投影图上进口轴面截线。此交点即是所求。第二条流线则依照流线的趋势，顺势延长到进口边，叶片的进口边以及后盖板就改变了。对后盖板来说进口边处变短。但由此优化了叶片并带给泵效能的提高。此控制过程如图3所示。
3设计效果的比较
泵的叶片设计可通过fluent软件来检验其效果。泵设计的成功与否在实际运行中表现在效率与稳定性上，这些反映到叶片流场上就是叶片的压力分布梯度增长，叶片流线分布均匀顺滑。同样在流场模拟中能达到此点要求的泵就是高效的。以下比较同样包角内两种方法设计的效果。
图4为网格法设计叶片压力的分布图，从中可看到，六个叶片压力分布较均匀，每个叶片上的压力分布由进口边到出口边梯度增长，最后的压力满足要求。这样的叶片设计基本上是成功的。图5为叶片的流线分布。
流线分布有点交错，出口的充满度还可以。如果扬程等参数达到指标，这样的叶片基本上是可以接受的，当然能够改进些最好。
图6为三角法设计叶片压力的分布图，此叶片压力分布与网格法相似，但是出口压力在其他条件不变的前提下明显比网格法高。说明这种设计方法中叶片得到的能量大大加强，损失的能量有所减少。能量的增加是以效率的提高来表现的。
图7为三角法设计叶片的流线分布图，流线几乎按照蜗壳的形状分布，整齐、均匀、平滑、没有交错，非常完美。这样的流线分布可达到较高的效率。
4结论与展望
三角法叶片设计中包角控制的引用得到了可喜的效果，从而再次证实了此法设计叶片的优越性。在一些泵的叶片设计中有很好的借鉴作用。然而此法也有一定的局限性，对于前后盖板相差不是很大的泵来说，此法有其独到的效果，对于前后盖板相差很多的泵来讲，此法设计不容易实现。
参考文献
叶片泵设计手册．北京：机械工业出版社，1983．
吴达人．泵与风机．西安：西安交通大学出版社，1989．
韩占忠，等．FLUENT一流体工程仿真计算实例与应用．北京：北京理工大学出版社，2004．