微型電泵是指輸入功率小于1.1kW的泵。它具有流量小、揚(yáng)程高、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，廣基金項(xiàng)目：十一五“國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2008BAF34B15）；江蘇省科技服務(wù)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（BM2008375）。
泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、石油、化工等領(lǐng)域。微型電泵大多屬于低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵。由于葉片出口寬度較小，葉輪外徑較大，軸面流道狹長(zhǎng)，導(dǎo)致圓盤(pán)損失和水力損失較大，因此泵的效率很低。
壓水室是泵的主要過(guò)流部件之一，其形式主要有螺旋形壓水室、環(huán)形壓水室以及空間導(dǎo)葉。一般而言，螺旋形壓水室符合流體出流的流動(dòng)規(guī)律，流動(dòng)狀態(tài)較理想，水泵能夠獲得較好的水力性能，大多數(shù)離心泵采用螺旋形壓水室。環(huán)形壓水室主要用于渣漿泵，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)隔舌的間隙很大，不易造成雜質(zhì)的堵塞，而且工藝方便；多級(jí)泵的末級(jí)導(dǎo)葉也多采用環(huán)形壓水室，因?yàn)檫@樣結(jié)構(gòu)對(duì)稱，便于布置穿杠，且使熱變形均勻。
微型電泵大部分都是使用螺旋形壓水室，但由于蝸殼的斷面尺寸較小，流道不能機(jī)械加工，造成其形狀尺寸、表面光潔度等直接靠鑄造來(lái)保證，而且鑄造難度高，流道表面的粗糙度較大，導(dǎo)致泵體中的水力損失很大。對(duì)于微型電泵而言，泵體內(nèi)的水力損失僅次于葉輪圓盤(pán)摩擦損失，對(duì)泵的性能具有舉足輕重的影響。目前許多學(xué)者在這方面展開(kāi)了一系列的研究。劉在倫等1對(duì)蝸殼形狀在高速部分流泵性能的影響進(jìn)行了研究，指出采用矩形螺旋蝸殼能夠提高關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程，且同時(shí)提高泵的效率。郭鵬程等研究了不同斷面形式的蝸殼對(duì)離心泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)矩形和圓形螺旋蝸殼在大流量工況下效率比馬蹄形蝸殼稍高，而在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，比馬蹄形稍低一些。曾提到比轉(zhuǎn)速低于40時(shí)，由于環(huán)形壓水室便于機(jī)械加工和打磨，泵效率可能高于不做加工處理的螺旋形壓水室。
本文以此為思想，在螺旋形壓水室的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)形壓水室的設(shè)計(jì)理論以及機(jī)械加工的難易程度，設(shè)計(jì)了矩形斷面的3種環(huán)形壓水室，并將這4種壓水室與同一葉輪組合進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，通過(guò)與傳統(tǒng)螺旋形壓水室的微型電泵性能預(yù)測(cè)的比較以及內(nèi)部流動(dòng)的分析，為微型電泵性能優(yōu)化提供了理1設(shè)計(jì)思路本文選取浙江某企業(yè)生產(chǎn)的XCm158型離心泵為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。相關(guān)參數(shù)為：葉輪的進(jìn)口直徑A= 38.5mm，出口直徑D2=162mm，葉片數(shù)z=6，葉片出口寬度2=2.2mm，葉片出口安放角擇=26°蝸殼的基圓直徑A= 164mm，第8斷面面積Ai= 102.5mm2，蝸室的進(jìn)口寬度63= 10.5mm；泵的額定流量CL=4m3/h，額定揚(yáng)程Hi=速n =29.將其定義為1號(hào)泵。
XCm158微型電泵使用的是螺旋形壓水室，在此基礎(chǔ)上將其改為矩形斷面的環(huán)形壓水室，并保證兩者第8斷面面積相等。另外在此環(huán)形壓水室的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行改進(jìn)，主要遵循以下幾個(gè)原則：①基圓直徑不變；②壓水室的進(jìn)口寬度不變；③擴(kuò)散段出口直徑及相對(duì)位置不變。
根據(jù)以上原則及環(huán)形壓水室的設(shè)計(jì)理論，可得環(huán)形壓水室的第8斷面的面積102.5mm2.擴(kuò)散段部分，出口尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑24mm，定義其為2號(hào)泵，該環(huán)形壓水室第8斷面的軸面高度為9.7mm，在此模型基礎(chǔ)上增加環(huán)形壓水室斷面的軸面高度，分別增加5、10mm作為對(duì)比模型3號(hào)和4號(hào)泵。壓水室主要幾何尺寸如表1所示。
模型號(hào)基圓直徑A3/mm第8斷面高度8/mm進(jìn)口寬度第8斷面面積1號(hào)泵2號(hào)泵3號(hào)泵4號(hào)泵表1壓水室的主要幾何參數(shù)Tab. 2模型建立及算法2.1模型的建立通過(guò)PRO/E進(jìn)行實(shí)體建模，然后導(dǎo)入ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。建模時(shí)，為了避免進(jìn)口旋渦區(qū)對(duì)流場(chǎng)及流量的影Pfi，在葉輪進(jìn)口段加一進(jìn)口管，其長(zhǎng)度為進(jìn)口直徑的3倍；考慮到出口邊界條件對(duì)蝸殼出口流場(chǎng)以及收斂性的影響，在蝸殼出口段加一出口管，其長(zhǎng)度為出口直徑的5倍。進(jìn)出口管采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格；而葉輪和蝸殼流道形狀復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)四面體自適應(yīng)貼體網(wǎng)格。
2.2數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值模擬計(jì)算使用ANSYSCFX12.0求解雷諾時(shí)均方程，其中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)e湍流方程模型求解并封閉方程組。在ANSYSCFX12.0中，采用有限體積法對(duì)方程組進(jìn)行離散，離散過(guò)程中的對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格、設(shè)計(jì)點(diǎn)工況和大流量工況（1.4倍的工況）分析兩種泵在不同工況下的靜壓云圖。
將兩種泵的靜壓進(jìn)行對(duì)比，由可知：在0.6（工況下，1號(hào)泵和3號(hào)泵出口靜壓基本相同，3號(hào)泵的環(huán)形壓水室與葉輪內(nèi)的靜壓變化較均勻，而1號(hào)泵的螺旋形壓水室在靠近隔舌處壓力梯度較大，同時(shí)葉輪在靠近隔舌葉片壓力面出口處有明顯的高壓區(qū)，這是由于1號(hào)泵在小流量下流動(dòng)不均勻，速度矢量方向混亂，產(chǎn)生回流造成的。在1.0Qi工況下，環(huán)形壓水室內(nèi)的靜壓分布呈現(xiàn)先增大后減小再增大，原因可能為環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓水室隔舌和葉輪間的間隙過(guò)大，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一不同工況點(diǎn)下兩種泵的靜壓云圖些回流現(xiàn)象，在隔舌處部分流體重新進(jìn)入壓水室。但正是由于回流起分流作用，使壓水室出口斷面的流速大大降低，實(shí)現(xiàn)泵出口動(dòng)能向壓能的轉(zhuǎn)換，這一結(jié)果和螺旋形壓水室是不同的。
在1.4（3，工況下，兩者的出口靜壓有明顯差異，環(huán)形壓水室的出口靜壓明顯高于螺旋形壓水室。原因可能是在流量越大時(shí)，壓水室的沿程摩擦損失占的比重越大，環(huán)形壓水室內(nèi)壁光滑的優(yōu)勢(shì)越突出。另外，兩個(gè)泵出口靜壓的差異與揚(yáng)程曲線的差異具有致性。
綜合可知螺旋形壓水室的壓力及速度僅在泵的最高效率點(diǎn)均勻分布，在泵偏工況運(yùn)行時(shí)，壓力和速度分布都不均勻。
而環(huán)形壓水室怡好相反，泵的壓力及速度分布在關(guān)死點(diǎn)時(shí)分布均勻，旦產(chǎn)生流量，這種平衡被破壞。在最高效率點(diǎn)環(huán)形壓水室水力損失大于螺旋形壓水室。而在微型電泵中，由于環(huán)形壓水室流道表面可機(jī)械加工，能夠獲得更好的水力性能，超過(guò)了環(huán)形壓水室?guī)?lái)的不穩(wěn)定壓力分布對(duì)泵的性能的影響。
4徑向力分析泵在運(yùn)行時(shí)會(huì)受到流體沿葉輪徑向的徑向力，而徑向力會(huì)使泵軸受到交變應(yīng)力的作用產(chǎn)生定向撓度，其大小直接影響泵軸工作的穩(wěn)定性；另外，徑向力的作用會(huì)使軸封間隙變得不均勻，而軸封間隙過(guò)大是導(dǎo)致某些泵泄露的主要原因。因此在設(shè)計(jì)泵時(shí)需要對(duì)徑向力作適當(dāng)?shù)目紤]。為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的1號(hào)泵和3號(hào)泵的徑向力。
兩種泵的徑向力分布由可以看出1號(hào)泵的徑向力隨著流量的增加先減小然后增大，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近達(dá)到最小值，但并不為0，其原因是由于泵體的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致泵葉輪各流道內(nèi)的流量、流速及葉輪出口壓力分布出現(xiàn)非對(duì)稱性；而3號(hào)泵其徑向力在小流量時(shí)最小，隨著流量的增加而增加。這兩種壓水室的徑向力分布規(guī)律與相符。
另外，從小流量到泵的額定流量附近，3號(hào)泵的徑向力小于1號(hào)泵；在大流量區(qū)域，3號(hào)泵的徑向力略大于1號(hào)泵。這樣，相較于1號(hào)泵，采用環(huán)形壓水室的3號(hào)泵可在全流量范圍內(nèi)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
5試驗(yàn)驗(yàn)證將1號(hào)泵與3號(hào)泵按回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性（下轉(zhuǎn)第88頁(yè)）離心泵葉輪內(nèi)部湍流動(dòng)能及耗散率分析葉道星王洋將與相比較，可以看出湍流耗散率與湍流動(dòng)能分布有十分相似的規(guī)律：在不同工況下，湍流耗散率隨著半徑的增加先增加，達(dá)到一個(gè)極大值后開(kāi)始減小，接著在在一個(gè)極小值后又開(kāi)始一直增加直到葉輪出口（除。6（工況下），在只= 60mm的區(qū)域里湍流耗散率達(dá)到最大值；設(shè)計(jì)工況下，湍流耗散率整體上是最小，除只=55mm到只=65mm區(qū)域外，湍流耗散率都在400m2/s3以下；。6Qd工況下，出現(xiàn)了與其他工況下截然相反的湍流耗散率分布，中間小兩端大，而其他工況時(shí)中間大兩端小的分布，同時(shí)可以看出在只=65mm到只= 85mm區(qū)間，湍流耗散率增長(zhǎng)非常迅速，原因可能是在小流量工況下，這個(gè)區(qū)域中，葉輪流道內(nèi)產(chǎn)生了軸向漩渦，造成湍流耗散率的急劇增加；。工況下，雖然湍流耗散率高于設(shè)計(jì)工況下，但是可以看出還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.6（工況；整體上，設(shè)計(jì)工況下，湍流耗散率最小，大流量下，湍流耗散能量率略高于設(shè)計(jì)工況，小流量下，湍流耗散率最大。
4結(jié)語(yǔ)本文采用e雙方程湍流模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了由數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所測(cè)得XST標(biāo)準(zhǔn)離心泵揚(yáng)程、效率、軸功率等數(shù)據(jù)之間存在差異的原因，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性。）湍流動(dòng)能和湍流耗散率沿半徑的分布有十分相似的規(guī)律，即湍流動(dòng)能大的區(qū)域湍流耗散率也大，反之亦然。）除0.6小流量工況，湍流動(dòng)能和湍流耗散率分布沿半徑表現(xiàn)為先增加，隨后減小，最后增加這種現(xiàn)象。
6Qd小流量工況下，湍流動(dòng)能和湍流耗散率最大，流體能量損失最為嚴(yán)重，從效率方面考慮，應(yīng)避免泵在小流量工況下運(yùn)行。
