叶片泵旋转失速的研究进展
201 1年第39卷第2期 流体机械 35
文章编号：1005—0329(201 1)02—0035—05
叶片泵旋转失速的研究进展
潘中永，李俊杰。李红。刘威
(江苏大学，江苏镇江212013)
摘要： 总结了目前有关叶片泵旋转失速的研究现状，其中包括研究方法、研究成果及抑制方法。目前的研究主要应
用CFD、PIV技术和试验相结合，研究重点在旋转失速状态下泵内部流动结构变化和压力波动及传播两个方面。失速状
态下导叶区会交替出现高压和低压流道，并相应的会出现回流和射流；轮缘fnJ隙部位会存在高速的泄漏流体。失速核会
以低于叶轮旋转速度进行传播．泵内出现压力波动，部分突升的压力会与叶轮旋转栩I司的方向进行传播，传播速度约为
叶轮转速的0．7％。研究发现当泵性能曲线出现正斜率时旋转失速开始发生，根据研究结果提出了可能抑制旋转失速
发牛的方法。
关键词：旋转失速；流动结构；压力波动；J型槽
中图分类号：TH31 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2011．02．008
Overview for Research on Rotating Stall of Pump
PAN Zhong·yong，LI Jun-jie，LI Hong，LIU Wei
(Jiangsu University，Zhenjiang 2 1 20 1 3，China)
Abstract：The discoveries about the rotating stall of the pumps were summarized according to previous researches．It contains
the methods．results and suppression of rotating stall using CFD or PIV and combing with experimental methods．Most of the re—
searches focus on the flow structures and pressure fluctuation and propagation when the rotating stall occur8．There眦alternate
reverse flow and jet flow because of the alternate high pressure region and low pressure region in the diffuser passage．it also ap·
pears high speed leakage in the clearance between the impeller and diffuser．Under stall condition it will be found that pressure
fluctuation and propagation and part of the dramatic change pressure is about 0．7 percent of the impeHer rotating speed as the
same direction of the impeller rotating．In addition，most of the researches have found that the rotating stall OCCUrs when there is
a change in the slop of the performance curve．Finally，it suggests two possible ways to suppress the rotating stall in the pumps．
Key words： rotating stall；flow structures；pressure fluctuation；J·grooves
1 前言
泵在小流量下运行时，其流动、压力等都会变
的不稳定，严莺时会引起整个系统的共振，有时会
产生一部分突升的压力，这部分突升压力会以低频
状态沿咧周方向传播。卜引。旋转失速状态下的低
频压力脉动和振动是约40年前发现，当时根据
Emmons等人提出的经典理论，它被解释为由于吸
人侧边界层的加厚而引起流动分离，分离区在叶片
收稿日期：2010—07—08修稿日期：2010—09—13
后部由一个叶片移动到另一个叶片，然而该模型没
有用流动的力学性质加以解释。随着科技发展，诸
如CFD、PIV等新技术在泵行业的运用，人们开始
更加深入、详细的研究失速状态下泵内部的流动情
况及其对泵性能的影响。通过分析发现，带导叶的
叶片泵更加容易发牛旋转失速，轮缘J川隙、泵内出
现的回流等都对旋转失速有蕈要影响。现在泵行
业关于旋转失速的研究大多是聚焦于旋转失速状
态下流动结构和压力波动及失速核传播”。o。在
万方数据
36 FLUID MACHINERY V01．39，No．2，2011
研究带导叶的离心泵时发现泵的性能曲线出现正
斜率时泵开始发生旋转失速，因此旋转失速和泵正
斜率性能曲线的出现有着重要关联-¨叫。
2研究方法
主要研究方法是CFD和PIV技术与压力波
动测量相结合。运用CFD技术对离心泵进行了
研究，采用标准的k一￡模型、SST、LES等模型对
非设计工况下进行数值计算时都能观测得到泵内
的失速流道。另外由于轮缘间隙对旋转失速的发
生有着蕈要影响，因此在多数研究中都将这一区
域进行网格加密，以增加模拟结果的准确度。利
用试验和数值分析相结合的方法对带导叶的离心
泵进行研究，也能成功的观测到泵在旋转失速状
态下的流动结构和压力波动情况。特别是，有的
研究发现试验用泵的性能曲线出现的2个正斜率
区都与旋转失速的发生有重要关系，并观测到导
叶叶片表面出现了间歇性的空泡u?。
另外一种比较常见的方法是PIV技术和测量
泵内压力波动相结合的方法，采集导叶区或叶轮
区各流道的压力波动及导叶区、轮缘间隙的速度
分布。Miyabe在利用此方法时将2个压力传感
器安装在导叶进口处，采集压力信号，通过分析压
力波动得到了失速的传播机理及限制因素一J。
3 失速状态下的流动结构
现在泵行业有关旋转失速的研究大多是聚焦
于导叶泵，研究旋转失速状态下叶轮区或导叶区
的流动结构及出现的失速通道、压力波动等现
象‘¨’12 J。当出现旋转失速时，会交替出现低压和
高压流道，高压流道会出现回流，回流液体占据一
部分流道，导致高压流道的有效过流断面面积减
小，因此一部分流体由高压流道流向临近流道。
用CFD对不带叶轮的导叶式离心泵进行数值计
算时发现，导叶内同样会出现旋转失速，同样会交
替出现低压和高压流道，只不过发生旋转失速时
的流量值较之带叶轮的模型偏小，即其不易发生
旋转失速。引。另外的一个不同点是，与带叶轮的
模型相比高压流道的高压区没有扩展到导叶进口
处。对于开式泄流泵大多数研究都发现轮缘的间
隙对旋转失速的发生有着重要影响，当轮缘间隙
增大时，发生旋转失速的流量值也会随之变大，当
叶轮与导叶的匹配不当时更易发生旋转失
速19’1 3|。通过分析流动结构发现，出现旋转失速
时。叶轮与导叶之间的间隙会泄漏出一部分流体，
此泄漏流体的速度远高于叶轮的转速。Sinh在研
究时发现轮缘间隙的流体流速比叶轮转速约高出
50％，作者认为这部分高速泄漏流体对旋转失速
的发生有重要影响一‘。
在研究带导叶的离心泵时发现导叶下游蜗壳
的隔舌是个很特殊的地方，通过研究失速状态下
的瞬时速度矢量图，发现低通滤波的压力信号最
小时靠近隔舌的导叶流道存在回流，回流速度约
为叶轮转速的10％，并且导叶叶片出口边可以观
测到明显的流动分离。当低通滤波的压力信号为
零时，靠近隔舌的流道的压力开始上升，回流现象
开始消失。当低通滤波的压力信号最大时，靠近隔
舌的流道存在向外方向的流动，分离位置是导叶叶
片压力侧，其主要流动方向是蜗壳出口。此外，导
叶下游也会存在更为复杂的二次流，但是这部分二
次流流速与导叶中的二次流相比流速却小得多旧J。
也有研究发现泵性能曲线在2个不同的流量
段内都出现了正斜率，且都与旋转失速有着重要
关联，不同的流量段旋转失速发生的位置也有所
不同。Hong Wang发现泵的性能曲线出现了2个
正斜率区，在相对流量小于0．4时，泵运行不稳定
的主要原因是导叶区发生的旋转失速引起了流动
分离；相对流量在0．4—0．6之间，泵运行不稳定
是由于导叶区和叶轮区都出现了因旋转失速而引
起了流动分离‘10}。作者认为泵不稳定产生的主
要原因是由于旋转失速的发生引起了流动的分
离。此研究与其他旋转失速状态下流动结构一个
不同点是空泡的产生，作者在观测相对流量约为
0．83时发生的旋转失速时，导叶压力侧出现了间
歇的空泡如图1所示，作者认为它的产生和传播
对旋转失速的发生有着重要影响。
攀头舌
{S兰竺竺
图1叶轮叶片速度矢量
万方数据
201 1年第39卷第2期 流体机械 37
4失速状态下的压力波动及传播
旋转失速发生时，导叶进口出现漩涡，旋转失
速的传播机理是小流量时，流体在导叶进口边的
吸人侧发生分离，导致不稳定漩涡，漩涡迅速向导
叶叶片进U处发展，且形成一个三维的失速团，阻
塞导叶进口，由于失速中心的作用导叶叶片进口
处静压值最小"J。当漩涡在叶片进口处产生后，
反向压力梯度迅速增加，因此，导叶区的各流道产
生了回流。叶轮出口处的流体受到I旦l流液体的影
响，总压损失增大，而这种压力状态，使导叶体叶
片压力侧的速度大于吸人侧，因此失速核向邻近
流道传播。
研究表明，旋转失速状态下叶轮流道和导叶
流道的压力都各不相同，旋转失速的传播比率
(即旋转失速传播速度与叶片旋转速度的比)、失
速核的数目都与轮缘间隙有一定的关联。Sano
研究发现当时，出现了较低传播比率，此时出现r
2个失速核一o；当时，传播比率开始增大，且可以
观测到向前和向后引起的压力波动图像传播的失
速核如图2所示。图中D：为叶轮出口直径，仍
为导叶进口直径．c，：为叶轮出口处的圆周速度，
从图中我们可以看出向前传播的失速核是沿流道
1传向流道8，即为与叶片旋转方向相同，而向后
传播的失速核传播方向则与之相反。
旋转失速发生时靠近隔舌的流道的压力波动
和其他流道相比也有一定的差别，而隔舌的具体
影响机理还需更加详细、深入的研究。特别是有
些研究发现在不I司流境段下发生的旋转失速所产
生的压力波动也有很大的差别，且同一导叶流道
同一流鲢下随着距导叶进口位置的变化，其压力
波动也是有差别的，功率谱也会不同，通过研究这
些功率谱叮以推断出其流动结构。
Hong wang将导叶的流道根据不同位置进
行了划分¨o|，导叶叶片进口位置半径为D。，流
道中间佗置半径为D，，C，为流道中I'eJ流线，并
对压力波动进行了分析，如图3所示，图中
RS。。为相对功率谱。通过研究发现在大流量点
(QIQ。=0．8)下发生旋转失速时，(D。，C，)和
(D，，C，)处的功率谱相似，此时导叶区的流动
并没有出现明显非正常流动。但小流馈(Q／Q。
=0．45)下发生旋转失速时的功率谱却有很大
不同，此时导叶区存在诸如流动分离、二次流
等复杂的流动，进而功率谱的波形发生了明显
的变化。因此功率谱与导叶内部的流动特征
是相对应的。
铡
鹾
古
m}
f}
(a)t‘=tU2／,trD2，前向
0 25 50
，●
(b)t‘=tU2／lrD2，后向
图2模型A(D3／D2=I．27)
不同流墙下向后／向前的旋转失速
也有一部分研究利用与叶轮同步旋转的的压
电阻微型传感器以及相应的数据在线采集系统，
对叶轮叶片出口边的压力波动进行分析，其主要
聚焦于泵发生旋转失速时，所产生突升的压力。
发现这部分突升的压力以叶轮转速的0．7％进行
传播，且其传播方向与叶轮旋转方向相同。流最
越低压力突变越明显。同时发现叶轮出口边测得
的不同的压力突生形式与导叶内静止的或旋转的
失速核及数目是一一相关的。因此，失速核的数
目及其不连续性又与泵的运行工况相关。在对测
得的压力信号进行F丌变换处理后发现，由于叶
轮转频和叶片频率的调制出现了很多的高频信
息．这螳高频信息可能对机械特性特别是叶轮寿
命造成负面影响，但是具体影响尚未明确，需要进
一步深入研究。
，2
3
4
5
6
7
8
0
期鹾苦啦
万方数据
38 FLUlD MACHINERY V01．39，No．2，201 1
。I·O
‰．5
0．0
。0
誉o
0
0 2 4 0 2 4 0 5 10 0 5 IO
．fIHz) 贝Hz) f(Hz) 贝Hz)
(a)Q／Qo=O．8，(D，，C，) (b)Q／Q=O．8，(D4，C，) (c)Q／Q口=0．45，(D，，G) (d)Q／Q=O．45．(D．，G)
图3 (D5，C3)和(见，C，)不稳定压力比较
5旋转失速的抑制方法
目前很少有研究明确地指出抑制旋转失速发
生的方法，主要是因为旋转失速发生时，泵内部流
动结构和压力都极为复杂。通过上述旋转失速的
研究我们可以看出大多数研究都发现当泵性能曲
线出现正斜率时，泵开始发生旋转失速，并且此时
泵内出现的流动情况和压力波动与旋转失速状态
下的极为相似，因此抑制正斜率出现的方法在一
定程度上能抑制旋转失速的出现∞’8’9川。
在液氧泵中发现，在导流壳上装一个与压力
梯度平行的J一型槽町以有效的降低叶轮后的回
流漩涡强度【l引。通过研究我们可以发现J一型槽
对液流有以下两个作用：
(1)有效的降低导叶进口处液体的切线速
度，其原因是J一型槽内会存在一部分回流的液
体，这些回流液体会与导叶进口处的正向流体相
混合；
(2)增加了液体的径向速度。我们可以发现
这两个方面共同的作用就是增加液流角。鉴于J
一型槽的这些显著功效Saha对装有J一型槽的斜
流泵进行了研究，作者通过分析性能曲线，发现在
配置适当的J一型槽后可以有效的抑制斜流泵的
正斜率¨J。由于叶轮叶片进121处出现的漩涡会
导致扬程的突降，而J一型槽在小流量时却能抑
制漩涡和回流的出现，作者指出适当的J一型槽
和安装位置能有效的抑制斜流泵性能曲线正斜率
的出现。
由于新设计方法在泵行业的应用，许多人开
始探求用新的设计发方法来消除泵运行的不稳
定性一¨18]，如研究发现，采用控制速度矩法设
计斜流泵流道时可以有效消除正斜率性能曲线
的出现，只是在文献中都未明确指出具体的方
法，现在只是一些经验丰富的设计专家根据自
己经验来进行设计。另外，设计合理轴面图的
形状也可以消除正斜率的出现。清藤重新设计
叶轮轴面图(见图4)，改进后的泵有效的消除了
正斜率性能曲线的出现。通过研究发现轴面图
改进后，轮毂侧进口边前伸可以提前对流入液
流施加力矩，减小液流的相对速度；可以改善汽
蚀性能；可以使叶轮内部的流态更为稳定，防止
小流量时产生二次流。
图4叶轮轴面
通过分析我们可以得出以上两种方法都可以
有效地消除正斜率性能曲线的出现，消除泵在小
流量下运行时流动的不稳定性，而这些不稳定性
流动正是旋转失速发生时出现的一些典型不稳定
流动现象，这些方法在其他的叶轮机械中已经有
所应用，以消除旋转失速，因此用这些方法可能会
有效的抑制泵旋转失速的发生。
6结语
目前叶片泵旋转失速的研究主要集中在低频
的压力波动和失速核的传播两个方面，研究发现
旋转失速产生时带导叶的叶片泵性能曲线会出现
正斜率，失速核的数目也会发生变化，但是旋转失
速的发生机理尚未解释清楚。另外，泵行业的旋
转失速研究水平和风机、压缩机相比仍有一定的
差距，需要进一步的研究。
万方数据
201 1年第39卷第2期 流体机械 39
参考文献
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Cao S，Goulas A，Wu Y，et a1．Three．Dimensional tur-
bulent flow in acentrifugal pump impeller under design
and off-design operating conditions[J]．FEDSM-6872
Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division，
1999，7：18-23．
Miyabe M，Maeda H。Umeki I，et a1．Unstable head．
flow characteristic generation mechanism of a low spe-
cific speed mixed flow pump[J]．J．of Thermal Sci．
ence，2006，I(2)：115-120．
Muggli F．CFD calculation of a mixed flow pump char-
aeteristic from shut-off to maximum Flow[J]．J Fluid
Eng Trans ASME 124(3)：798-80．
Feflg J，Bears FK，Dohmen H．J．Unsteady flow visual-
ization at part load condition of radial diffuser pump by
PIV and CFD[J]．J．of visualization 1：65-72．
Yoshida Y，Murakami Y，Tsujimoto Y．Rotating Stalls
in Centrifugal Impeller／Vaned Diffuser of a Centrifugal
Pump[J]．Proceedings of The First ASME／JSME Joint
Fluids Engineering Conference，ASME，NewYork，
1991。FED一107：125—130．
SaM S L．Kurokawa J。Matsui J．Suppression of Per-
formance Curve Instability of a Mixed Flow Pump by
Use of J-groove[J]．ASME J．Fluids Eng．，2000，Sep，
122：592-597．
Miyabe M，Maeda H。Umeki H，et a1．Unstable head—
flow characteristic generation mechanism of a low spe—
cific speed mixed flow pump[J]．J．of Thermal
Sicience，2006，1(2)：115-120．
Sinha M．Pinarbashi A。Katz J．The flow structure dur-
ing onset and developed states of rotating stall within a
vaned diffuser of a centrifugal pump[J]．ASME J．
Fluids Eng．，2001，123：490-499．
Sano T，Yoshida Y，Tsujimoto Y。et al，Numerical study
[10]
[12]
[13】
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
of rotating stall in a pump vaned diffuser[J]．ASME
J．，Fluids Eng．，2002，124：363-370．
Hong Wang。Tsukamoto H，Experimental and numeri—
cal study of unsteady flow in a diffuser pump at off'-
design conditions[J]．Joumal of Fluid Engineering，
2003，Sep。125：767-778．
Kurokawa J．Performance curve instability of a diffus-
er pump at low flow-rates[J】．JSME，1988，54
(508)：3449-3456．
张伟，余运超，陈红勋．等．离心泵叶轮非设计工况
下内部湍流流场的模拟[J]．排灌机械工程学报，
2010，28(1)：3842．
Tsuji Y．Yoshida Y。Mori M．Study of vaneless diffus-
er rotating stall based on two—dimensional inviscid
flow analysis．[J]．Fluids Eng，1996，118：128-123．
Kurokawa J，Kamijo K，and Shimura T．Axial thrust
behavior in LOX-Pump of rocket engineer[J]．AIAA
Journal of propulsion and power，1994，10，(2)1244·
250．
Kurokawa J。Satm S L，Kitahora T．Passive control of
rotating stall in a parallel—wall vaneless diffuser by ra-
dial grooves[J]．ASME J．Fluids Eng．，122：90-97．
Goto A。Nohmi M，Sakurai T．et a1．Hydrodynamic de-
sign system for pumps based on 3-D CAD，CFD，and
inverse design method[J]．Journal of Fluids Engi-
neering。Transactions of the ASME，2002，124(2)：
329．335．
何希杰，李艳辉，高瑛．等．混流泵现状与发展趋势
[J]．通用机械，2003，(9)：21-23．
曹树良，梁莉，祝宝山，等．高比转速混流泵叶轮设
计方法[J]．江苏大学学报(自然科学版)，2005，26
(3)：185．188．
作者简介：潘中永(1973．)。男．工学博士。副研究员。主要从
事流体机械的研究与开发，通讯地址：212013江苏镇江市江苏大
学流体机械上程技术研究中心。
(上接第6l页)
[12] 郭常青，朱冬生．蒋翔，等．板式蒸发式冷凝器传热
传质的数值模拟[J]．华南理工大学学报(自然科
学版)，2009，37(3)：53-57．
[7] 张景卫，朱冬生。蒋翔．蒸发式冷凝器及其传热分析
[J]．化工机械，2007，34(1)：110．114．
[8]Jones W P，Launder B E．The calculation of low．Reyn．
olds number phenomena with a two-equation model of
turbulence[J]．Int J Heat Mass Transfer，1973．16：
1l 19-1130．
[9] 周孝清．陈沛霖．板式间接蒸发冷却器的热工计算
方法[J]．华南建设学院西院学报，1998，6(2)：9-
15．
[10]李元希，蒋翔．朱冬生．等．板式蒸发式冷凝器热工
性能实验[J]．化工进展．2009。28(1)：27·30．
[II]朱冬生，张锦卫，吴治将．板式蒸发式冷凝器两相
降膜流动CFD模拟及传热研究[J】．华南理工大
学学报(自然科学版)，2008，36(7)：6-9．
作者简介：钟振兴(1986．)，男，硕士生．主要从事热能动力与
强化传热节能技术研究，通讯地址：510640广东广州市华南理工
大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部霞点实验室。
万方数据
叶片泵旋转失速的研究进展
作者： 潘中永， 李俊杰， 李红， 刘威， PAN Zhong-yong， LI Jun-jie， LI Hong， LIU Wei
作者单位： 江苏大学,江苏镇江,212013
刊名： 流体机械
英文刊名： FLUID MACHINERY
年，卷(期)： 2011,39(2)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ltjx201102008.aspx
叶片泵旋转失速的研究进展.pdf
