運行參數(shù)與軸流泵流體激勵力的關系

張 碩，陳長盛

(1.海軍駐704所軍事代表室，上海200031；2.中國船舶重工集團 第704研究所，上海200031)

運行參數(shù)與軸流泵流體激勵力的關系

張 碩1，陳長盛2

(1.海軍駐704所軍事代表室，上海200031；2.中國船舶重工集團 第704研究所，上海200031)

泵內非定常壓力脈動會引發(fā)泵體的結構振動，運行工況的變化會改變泵內流場的流動狀態(tài)，從而對泵的振動特性產生影響。通過流體力學計算軟件FLUENT對某臺立式軸流泵內流場進行仿真計算，分別改變泵運行速度和流量兩項參數(shù)，得出轉速改變后，葉輪受到的力會偏離了相似理論的計算值；工作在小流量時，泵內壓力脈動與葉輪受力均大于大流量工況，且葉輪區(qū)域出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，不利于振動噪聲的控制。

振動與波；運行工況；軸流泵；壓力脈動

計算所用立式軸流泵的設計葉片數(shù)為4，可變頻調節(jié)轉速，并可通過閥門調節(jié)流量。泵內流場區(qū)域的剖面結構示意如圖1所示。

將結構模型進行適當簡化，并將泵內流場進行分段劃分網(wǎng)格，如上圖中，將流場分為吸入段、葉輪段、支撐段和接管段以及彎管段等部分。

圖1 泵內流場區(qū)域示意圖

由于該泵實際運行環(huán)境為開式系統(tǒng)，為保證計算結果精確，在建立流體計算模型時，將水池區(qū)域也納入計算域，且在彎管段后方增加5倍口徑長度的出口延伸段，以保證出口流動充分均勻。

圖2 非定常壓力監(jiān)測點(B表示葉輪區(qū)，W表示尾跡區(qū)，V表示支撐架前緣)

在葉輪區(qū)域、尾跡區(qū)以及支撐架前緣設置壓力脈動監(jiān)測點。如圖2所示。B1、B2和B3監(jiān)測點在軸的距離為20 mm，B3位于流道尾緣，B2則處于流道中間，B1靠近葉輪流道進口；在葉輪后尾跡區(qū)沿徑向布置的W1—W7七個測點，它們的相對葉高分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%和90%，圖中僅標出了W1、W4、W7三個監(jiān)測點位置；在支撐架前緣按同樣方式沿葉高也設了V1—V7七個測點。

計算中，取葉輪旋轉1弧度所需時間為T，t/T等于2π正好表示葉輪旋轉一圈，Kp為壓力脈動系數(shù)

式中p為監(jiān)測點的瞬時壓強，pavg為監(jiān)測點的時均壓強，ρ和ω分別為流體密度和葉輪旋轉角速度，R表示葉輪半徑。

用Matlab進行快速傅里葉變換，可以得到各個頻率對應的壓力脈動系數(shù)Kp，引入無量綱頻率系數(shù)St

式中f為頻率，n，Z為葉輪每分鐘的旋轉速度和葉片數(shù)。根據(jù)此定義，St=1正好表示1倍葉片通過頻率，而St=2表示為葉頻的二倍頻。

2 轉速變化對流體激勵的影響

由水泵相似理論可知，在葉輪幾何參數(shù)不變的條件下，轉速的提高有利于提高水泵的揚程。圖3為不同轉速（n=960 r/m in，1450 r/m in）下水泵的揚程和效率分布，計算工況從0.6到1.3倍的設計流量（Qs=300 t/h，450 t/h），葉片數(shù)為4。從圖中可以看出，在所計算的流量范圍內，揚程隨著轉速的提高而增加。根據(jù)相似理論，同一軸流泵運行在不同轉速下，其揚程之比等于轉速比的平方，即2.28。表1給出了兩個轉速下對應運行工況下的軸流泵揚程數(shù)值解的比值，隨流量不同，數(shù)值解獲得的比值并不為定值，在2.24～2.98范圍內變化。從圖3中還可以看出，在小流量工況下運行時，轉速的變化對效率的影響很小，但隨著流量的增加，水泵的效率有明顯的增加。當流量從1.0Qs增加到1.3Qs，對應的效率分別增加了1%、8%。

圖3 不同轉速下軸流泵的揚程與效率分布

表1 不同轉速下水泵揚程、效率及揚程之比

B1、B2和B3壓力系數(shù)隨轉速的變化如圖4所示，從圖中可以明顯看出，葉輪轉速分別在1 450 r/m in時軸流泵內監(jiān)測點B1、B2和B3的壓力系數(shù)在頻域的分布與轉速960 r/m in、1.0Qs時的監(jiān)測點壓力系數(shù)相比，轉速增加后，壓力系數(shù)的頻譜特性基本保持不變，主要的脈動能量集中在1倍諧頻上，但是脈動幅度大增，在1倍葉頻上，B1、B2和B3的壓力系數(shù)峰值為0.208，0.198，0.047，遠大于960 r/m in轉速下的值。該圖充分說明了轉速對壓力脈動程度的影響。

根據(jù)管內流動的相似準則，液體慣性力可以表示為

圖4 額定流量下轉速對B1，B2,B3壓力系數(shù)的影響（Q/Q s=1.0）

圖5是在額定流量下，軸流泵工作轉速分別為960 r/min和1 450 r/m in時流體作用于葉輪的軸向力?？梢婋S著轉速的提高，葉輪軸向力的平均值和脈動幅值增大，從481.9 N增加到了1 988.84 N，其比值為4.13，并不等于轉速比的平方(2.28)，壓力脈動系數(shù)的均方根從6.56 N增加為25.19 N，比值為3.84。這表明轉速改變后，即使工作在相似的工況點，軸流泵內的流動也不能達到真正地相似，從而使得葉輪受到的力偏離了相似理論的計算值。

3 流量變化對流體激勵的影響

圖6給出了B1、B2和B3三個監(jiān)測點在0.6Qs、1.0Qs和1.3Qs流量時的壓力系數(shù)的分布。從該圖可以發(fā)現(xiàn)，B1、B2兩點的壓力脈動在三個運行流量下均呈現(xiàn)較好的周期性，脈動峰值均出現(xiàn)在1倍葉頻及其高階諧頻上。從脈動幅度看，0.6Qs流量下各點的壓力脈動最強，1.3Qs流量下壓力脈動減弱，1倍葉頻下的壓力脈動系峰值如表2所示，可見，軸流泵流量從1.0Qs減小到0.6Qs，B2點的壓力系數(shù)峰值增加了71%，而流量從1.0Qs增加到1.3Qs，B2點的壓力系數(shù)峰值下降了51%。

圖5 額定流量下轉速對葉輪軸向受力的影響

圖6 運行流量對軸流泵內壓力脈動的影響（B1、B2、B3）

表2 監(jiān)測點壓力脈動系數(shù)的峰值(St=1)

圖7給出了軸流泵運行在不同流量下尾跡區(qū)W1和W7、支撐架前緣V1和V7四點的壓力脈動系數(shù)在頻域的分布。該圖表明，尾跡區(qū)W1和W7的壓力系數(shù)峰值頻率為葉頻.。不過，當軸流泵工作在0.6Qs流量時，St=0.25處也出現(xiàn)了小的峰值。根據(jù)前面的流動分析可知，在0.6Qs流量時葉輪通道內出現(xiàn)了大范圍分離，該分離流在尾跡區(qū)沒來得及充分摻混，成為尾跡區(qū)的壓力擾動源。該分離流流向下游的支撐架，與支撐架相互作用，引起繞支撐架的分離流動，從而使支撐架前緣的壓力系數(shù)脈動峰值頻率也偏離葉頻，出現(xiàn)在St=0.25處。

圖7 尾跡區(qū)與支撐架前緣區(qū)壓力脈動系數(shù)隨流量的變化

圖8為葉輪在0.6Qs、1.0Qs和1.3Qs流量下受到的軸向力隨時間的變化?？梢婋S軸流泵流量從0.6 Qs變?yōu)?.3Qs，流體作用于葉輪的軸向力均值從947.3 N減小為84.3 N，軸向力隨時間的脈動幅度也逐漸減小，其均方根從9.96 N減小為1.28 N。

4 結語

通過上述計算分析可以得知

轉速改變后，即使工作在相同的工況點，軸流泵內的流動也不能達到正真地相似，從而使得葉輪受到的力偏離了相似理論的計算值；

圖8 不同流量下流體施加于葉輪的軸向力

在小流量時葉輪通道內出現(xiàn)了大范圍分離，該分離流在尾跡區(qū)沒來得及充分摻混，成為尾跡區(qū)的壓力擾動源；

軸流泵工作在小流量時，泵內壓力脈動與葉輪受力均大于大流量工況，不利于小流量工況下軸流泵流動噪聲與振動的控制。

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Research of Fluid Excitation of Axial Flow Pump under Different Working Conditions

ZHANG Shuo1,CHEN Chang-sheng2

(1.Naval Deputy Office in 704 Research Institute,Shanghai 200031,China; 2.704 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Shanghai 200031,China)

Abastract:Structural vibration of a pump is partly caused by pressure pulsation of unsteady flow in the pump,the change of flow field w ithin the pump is caused by the change of working conditions,and the vibration characteristics of the pump w ill be affected.In this paper,the unsteady flow field of an axial flow pump is simulated by means of FLUENT software w ith the steady flow as the initial field.The results of excitation force of flow on the pump and the impeller is calculated and analyzed under different working conditions.The results show that pressure pulsation on the blade deviates from the calculation data based on the sim ilarity theory when rotating rate changes.With the flow rate decreasing,the pressure pulsation w ill increase,and separate flow w ill occur in the impeller area.

vibration and wave;working conditions;axial flow pump;pressure pulsation

1006-1355(2014)04-0134-04+152

TB53；O422.6 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.029

作為最常用的設備之一，泵在運行時經(jīng)常會根據(jù)需要調節(jié)運行工況。而不同的運行工況會產生不同的流動情況，致使泵體振動情況發(fā)生變化[1]。流體激勵是引發(fā)泵體振動的主要激勵源之一，其受運行參數(shù)的影響也不能忽視。文獻[2]中討論了泵內流場軸向力的計算方法，得到了全工況下的葉輪軸向力分布，并與試驗值有較小的誤差；文獻[3]對某軸流泵進行了變轉速的性能計算與試驗，提出了軸流泵內部軸向運動雷諾數(shù)小是使得其不能滿足相似定律的主要原因；文獻[1]和文獻[4]則偏重于試驗，分別研究了轉速、流量變化和進出口壓力變化對振動的影響；文獻[5]則是通過理論計算研究了葉輪形式對流體激勵力的影響?，F(xiàn)有研究成果中，還鮮有流體激勵力受運行工況影響的研究。為此，本文以一臺立式軸流泵為研究對象，通過理論計算來研究運行參數(shù)與泵內流體激勵力的關系，為建立低噪聲泵水力設計方法提供一定的參考。

1 軸流泵流體計算模型

2014-02-11

張 碩(1977-)，男，江蘇宜興人，碩士。目前從事艦船設備過程控制及振動噪聲控制的研究。

E-mail:jzzx704@163.com