随着流体机械不断向高效、节能方向发展,半开式叶轮离心泵具备无堵塞性好、强度高、极限圆周速度大等优点,在市政、石化、航空航天等领域被广泛应用。对于半开式叶轮离心泵,为了保证泵的正常运行需在叶轮与泵盖之间保留一定的间隙——叶顶间隙。目前关于叶顶间隙对流体机械性能的研究主要集中在离心式压气机和轴流式泵、风机、水轮机上。而对半开式叶轮离心泵叶顶间隙如何确定,叶顶间隙对泵性能的影响及影响的机理探讨还鲜见文献报道。本文以一台国内某厂生产的低比转速ns=46单级单吸半开式叶轮离心泵为研究对象,采用数值模拟与外特性试验相结合的方法,研究了半开式叶轮离心泵叶顶间隙泄漏流流动规律及其对泵外特性和内部流动的影响。本文主要研究内容如下:1.改变叶顶间隙值对半开式叶轮离心泵外特性的影响。以叶顶间隙t与叶轮叶片出口宽度b的比值定义了相对间隙φ,选取相对间隙φ分别为3.8%、7.7%、11.5%、15.4%的半开式叶轮离心泵为研究对象,分析了其外特性与叶顶间隙大小的关系发现:对于此台模型泵选取最佳相对间隙φ=7.7%(即叶顶间隙t=0.5mm)时,此台泵具有较宽的高效区间且1.0 Qd处效率较高。从设计工况到大流量工况不同相对间隙的模型泵在同一工况点处效率相差较大,对于相对间隙为3.8%和15.4%的模型泵来说,在1.6Qd时效率差达10%。对于相对间隙φ=3.8%的模型泵来说,虽然在设计工况点的扬程、效率较其他相对间隙值模型泵较高,但在大流量工况时扬程、效率下降较快,高效区较窄,稳定性较差。2.对比分析半开式叶轮与同几何参数闭式叶轮离心泵的性能差异。对所确定的最佳叶顶间隙的半开式叶轮离心泵与同几何参数闭式叶轮离心泵进行了外特性对比,得到闭式叶轮离心泵在各工况点处扬程、效率均高于半开式叶轮离心泵。在设计工况下闭式叶轮离心泵较半开式叶轮离心泵扬程高出6.86m,效率高出13.08%。设计工况下半开式叶轮与闭式叶轮的扬程比、效率比分别为0.95,0.835,全流量范围内扬程比在0.797～0.965之间,效率比在0.819～0.861之间。3.设计工况下叶顶间隙流和叶轮内轴向流动分析。由于叶顶间隙的存在使叶轮轴向截面内存在着回流、泄漏流等不稳定流动,在整个轴向截面中有明显的回流涡产生。随着相对间隙值的增加,叶轮流道中段内回流涡明显加剧。随着相对间隙值的增加,泄漏量的增加使集聚在叶片工作面的高压流体通过叶顶间隙泄漏至叶片背面并在叶片背面流道中形成间隙泄漏涡,间隙泄漏涡的尺度随着间隙值的增大而增加。4.涡量分布及其变化规律。半开式叶轮叶片工作面与叶片背面之间压力差使得叶顶附近的流体在压力差的作用下形成主泄漏涡(PTLV),叶顶间隙射流与主流相互作用形成二次泄漏涡(STLV),主泄漏涡与二次泄漏涡相互卷吸、缠绕合并在叶轮叶片背面形成“管状”涡带,“管状”涡带向叶片出口处发展、破裂并最终沿叶片流向演变为分散泄漏涡(DTLV),分散泄漏涡耗散在叶片出口处,加剧了叶轮出口处的流动损失。5.叶顶间隙泄漏流的影响因素的分析。半开式叶轮离心泵间隙泄漏流的影响因素为叶片载荷和轮盖刮削。引入叶片载荷与轮盖刮削的比值为“刮削率”R,不同相对间隙值下沿叶片流向分布的刮削率R值范围为0.40～1.5,说明叶片载荷和轮盖刮削两个影响因素均不可忽略;R值沿叶片流向从进口 1.5下降到出口 0.4左右,说明轮盖刮削对泄漏流的促进作用沿叶片流向从叶片进口至出口方向逐渐增加。6.叶顶间隙的改变对半开式叶轮离心泵叶轮内部流动的影响及其变化规律。在同一相对间隙值下,随着流量的增大,在叶轮同一径向位置压力逐渐减小,叶轮出口处局部高压区逐渐减小。随着相对间隙值的增加,叶片进口流道内高湍动能区面积逐渐增加;大流量工况下间隙层内压力分布较小流量工况下压力分布平缓,局部高压区少于小流量工况;当模型泵在大流量工况时,叶轮中间截面流线总体上分布较为平缓,回流涡、流动分离涡较少。