叶片缺陷对水力性能的影响研究

摘 要：为了研究叶片制造缺陷对水力模型性能的影响规律，文章采用三维湍流数值计算方法对含缺陷的叶片的水力性能进行了仿真分析，并与无缺陷的叶片进行了对比，得到了叶片在有无缺陷两种条件下的内部压力场和速度场。对比结果表明：叶片外缘进口头部的初始缺陷会造成叶轮扬程的下降，缺陷局部流场分布良好，不会影响叶轮的稳定性。

关键词：叶片缺陷；CFD；扬程

背景

我公司的一件产品叶轮在半精加工后由于机床设置刀具补偿参数有误，铣刀将一片叶片边缘处加工成斜角，精加工无法去除。CFD方法已经广泛应用于水力旋转机械的开发中，因此为了探讨叶片缺陷对水力模型的影响规律，本文做了叶片缺陷对水力性能影响的研究。

1 物理模型

此叶轮为轴流式叶轮，叶片数为5个，外径763mm，叶轮采用整体锻件加工，缺陷位于叶片外缘进口处头部。设计点参数转速1490r/min，流量16800m3/h，扬程60m。

2 数值计算建模

2.1 流动控制方程

本文以水为模拟介质，不考虑传热，对于此不可压缩定常流动， 雷诺时均的Navier-Stokes方程如下：

（1）

（2）

其中雷诺应力采用旋流修正的RNG k-？着模型，其控制方程为：

（3）

（4）

式中的湍流生成项及平均应变率张量与标准？资-？着模型有所差别，为：

且有

通常

2.2 网格划分与计算求解

本文选择单流道三维模型，几何模型如图1所示。其中叶片缺陷部位的网格如图2所示，计算求解采用ANSYS CFX 13.0流体计算软件，先后对有缺陷叶片以及无缺陷叶片进行了流场模拟，计算残差为1e-5。

3 结果分析和讨论

3.1 宏观水力性能的对比

叶轮整体有缺陷叶轮扬程约为81.42m，无缺陷叶轮扬程约为82.03m。叶轮共有5个叶片，其中一个叶片有缺陷，因此近似有缺陷叶轮扬程为（4×82.03+81.42）/5=81.908。整体叶轮扬程下降为82.03-81.908=0.122m，约占0.15%。

3.2 内部流场分析

为了分析缺陷对内部流场分布的影响，计算得到了叶片头部的压力场，见图3。从图3可以看出，缺陷的存在会使负压面的压力增大，其效果与诱导轮中一般采用的较尖的进口边类似，会改善泵的气蚀性能。从速度场看，缺陷不会引起流动的分离，因此不会引起流动的不稳定。

为了分析缺陷对S1流面上流动的影响，在缺陷对应的空间位置处截取s流面，观察叶片头部压力分布如图4所示。可以看出缺陷对叶轮头部周围的压力分布的影响比较大，叶轮没有缺陷时，叶轮在零冲角的条件下压力分布对称分布，而缺陷会使得叶片工作面的局部低压区后移，因此有利于气蚀性能的改善。

4 结束语

本文对叶片存在缺陷条件下叶轮的水力性能进行了分析，得到了以下结论：

（1）缺陷会造成叶轮扬程的下降，下降值为0.15%，主要原因为缺陷在局部改变了流动的角度。

（2）缺陷有利于叶轮气蚀性能的改进，不会引起脱流，不会引起流动的不稳定性。

参考文献

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[4]张永学，李振林.流体机械内部流动数值模拟方法综述[J].流体机械，2006，34-38（7）.

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