【知识讲堂】离心泵叶轮内部流动机理

轴向旋涡

如下图一所示，叶轮中流体的实际运动，近似认为是轴向旋涡运动和流经不同叶轮的贯流两者的叠加。

轴向旋涡的叠加的结果，如下图二所示。叶片工作面到背面的相对速度逐渐增大。

叶片载荷

定义

叶片载荷定义为沿叶片长度方向上，叶片工作面和背面相对速度的差值。如下图一所示。

根据国外的研究结果表明：叶片载荷还作为定性判断是否发生分离流动的依据，叶片载荷越大，则发生分离流的可能性越大，损失越大。一个优秀的叶轮一般都遵守叶片载荷准则（From Dallenbach 1961），因为叶片载荷和叶片两侧压差的作用，工作面上的速度比对应的相同半径上的背面速度低。如果叶片载荷太大，工作面上的相对速度可能低至零，在这种情况下极可能发生流动分离。

经验表明：W2/W1=0.7是一个临界值，低于0.7的情况下，边界层可能出现分离。

这对指导叶轮设计具有重要的参考价值。

“射流-尾迹”结构

在叶轮内，当出现流动加速或者压力升高时，叶轮内会出现分离流动，并沿着从“低能区”到“高能区”法线方向，由“剪切层”或“分流流线”明显划分为“低能区”和“高能区”两个区域如下图一所示。

在叶片背面分离出的“低能区”内，流动是稳定的，但工作面上的边界层是不稳定的，且有沿着叶轮后盖板向前盖板迁移的趋势。叶轮内的这种流动状态：一个稳定的“分离出的低能区域”，或者称作叶片背面的“尾流”结构，以及主流或者称为工作面上的“射流”结构的组合形式，被称为“射流-尾流”结构。

对于低比速离心泵叶轮通常采用加短叶片来避免“射流-尾迹”现象产生。

国外研究和统计结果表明（From Tuzson 1993），根据下图二叶道中流体发生分离的统计曲线，曲线下方表示不会发生“射流-尾迹”的取值范围，上方表示出现的范围。

非设计工况下的流动

进口流动

左图（a）为大流量区（Q>QN）时，工作面流体出现的分离。

从进口边速度三角形可以看出，由于轴面流速增大，相对速度的方向发生改变。

左图（b）为小流量区（Q<>

右图为小流量区（Q

 

叶轮和泵体中的流动

下图一非设计公况下，叶轮和涡壳中的流动，在叶轮进口和出口出现回流。

下图二为在小流量区混流泵出口产生的回流现象。因此，对于混流泵不同型线的出口安放角选择非常重要。

下图一为涡壳在小流量区和大流量区工况下，涡壳内产生的旋涡区。

下图二为涡壳内断面流速分布。