分流葉片長度對離心泵壓力脈動及徑向力的影響

柯 強(qiáng)，劉小兵，曾永忠(. 西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，成都 60039；. 流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室，成都 60039)

0 引 言

低比轉(zhuǎn)速離心泵結(jié)構(gòu)簡單緊湊，維護(hù)方便，在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但其效率低、性能曲線易出現(xiàn)駝峰，長期在非設(shè)計流量工況下運(yùn)行容易出現(xiàn)噪聲和振動[2]。針對低比轉(zhuǎn)速離心泵的缺陷，采用添置分流葉片的方法，改善內(nèi)部流動，提高離心泵水力性能成為普遍的手段[3-6]。姜華[7]采用熱膜測速法對帶分流葉片離心泵葉輪進(jìn)行測量，得到了長短葉片不同葉高處的湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力分布。潘光星[8]采用PIV測速技術(shù)測量分流葉片離心泵，得到了葉輪的流速場分布。陳松山[9]采用數(shù)值模擬方法對三幅長短葉片離心泵進(jìn)行研究，從進(jìn)出口的相對速度和液流角入手，得到了不同長度分流葉片對離心泵的性能影響，并得出分流葉片應(yīng)向長葉片吸力面偏置的結(jié)論。

添加偏置分流葉片能夠防止脫流的產(chǎn)生，使流動穩(wěn)定，進(jìn)而提高低比轉(zhuǎn)速離心泵的效率和揚(yáng)程。對分流葉片離心泵的研究從試驗、數(shù)值模擬都取得一定的成果，但目前對分流葉片長度對低比轉(zhuǎn)速離心泵結(jié)構(gòu)振動的影響研究還不夠深入，以壓力脈動和徑向力特征探討分流葉片長度對離心泵流場影響還鮮見報道；泵運(yùn)行中由于內(nèi)部流動呈非定常復(fù)雜流動，葉輪與蝸殼相互影響，導(dǎo)致流速與壓力不均勻，引起壓力脈動，產(chǎn)生徑向的不平衡力[10]。壓力脈動和徑向力誘使泵結(jié)構(gòu)振動，對離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。本文對不同長度的分流葉片離心泵進(jìn)行三維非定常計算，分析了不同長度分流葉片對離心泵壓力脈動和徑向力特征的影響。

1 計算模型及方法

1.1 模型參數(shù)

基于型號IS50-80-200離心泵基礎(chǔ)改進(jìn)，輸送介質(zhì)為清水。模型基本參數(shù)：設(shè)計流量Q=50 m3/h，揚(yáng)程H=50 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=66。設(shè)計長葉片數(shù)z=5，短葉片數(shù)z1=5，長短葉片交錯布置。3種分流葉片進(jìn)口截圓直徑Di分別為0.55D2、0.65D2、0.80D2(D2為長葉片出口直徑)。為保證分流葉片兩側(cè)流道流量均等，設(shè)置3種分流葉片進(jìn)口偏置0°，出口偏置5°。為確保湍流充分發(fā)展，葉輪進(jìn)口端面延長250 mm，蝸殼出口端面延伸200 mm。如圖1所示為3種不同長度分流葉片的離心泵模型。

圖1 3種不同長度分流葉片離心泵流場模型Fig.1 Three centrifugal pump field models with different length splitter blades

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格；為保證網(wǎng)格質(zhì)量，以及對模型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確離散，對曲率較大的葉片頭部和隔舌進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。最終3種方案網(wǎng)格數(shù)量分別為751 453，727 800，716 631。

1.3 計算方法及邊界條件

對帶分流葉片離心泵三維全流場模擬，采用ANSYS-CFX流體分析軟件，使用有限體積法進(jìn)行離散求解，采用RNGk-ε湍流模型，應(yīng)用分離半隱式壓力耦合SIMPLEC算法求解時均N-S方程。對所有模型及方程變量全流場聯(lián)合求解，同時求解連續(xù)方程和動量方程組。進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口邊界條件采用壓力出口。壁面設(shè)置為無滑移固定壁面，壁面區(qū)采用壁面函數(shù)法處理。整個流體計算區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)的葉輪流道水體和非旋轉(zhuǎn)的蝸殼水體，在非定常計算時動靜耦合交界面設(shè)置為Transient Rotor-stator。以定常計算結(jié)果作為非定常計算的流場初始條件，用葉輪每旋轉(zhuǎn)3°作為一個時間步長，每個時間步長為0.000 172 s，120步作為一個旋轉(zhuǎn)周期，收斂殘差為10-6。選用第5個葉輪周期結(jié)果分析。

1.4 測點選取

為準(zhǔn)確反映流場壓力脈動信息，捕捉內(nèi)部流場運(yùn)動情況，選取流場中典型流動的位置作為監(jiān)測點。監(jiān)測點分布在蝸殼出口位置，第二、四、六、八斷面，以及蝸殼隔舌位置共計6個監(jiān)測點。如圖2所示為監(jiān)測點的布置。

圖2 監(jiān)測點布置位置Fig.2 Monitor points place

2 計算結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測點壓力脈動

設(shè)置于流場中的6個監(jiān)測點壓力脈動時域如圖3所示，從圖中可以看出，3種分流葉片長度方案脈動均呈現(xiàn)5個主要波動周期。由于添加了分流葉片，每個葉輪旋轉(zhuǎn)的主要周期中出現(xiàn)5個次周期。圖3中(b)與(d)圖，在P2點和P4點，0.55D2分流葉片長度方案的次波動周期壓力峰值幾乎與主要周期的壓力脈動峰值相等，這是由于分流葉片長度過長，葉輪葉片旋轉(zhuǎn)時，在這兩點處的壓力變化受分流葉片影響不大。

結(jié)合圖3壓力脈動時域圖與圖2監(jiān)測點布置位置，蝸殼中P2監(jiān)測點，0.55D2分流葉片的壓力脈動幅值隨時間變化峰值逐漸減小，而最短的0.80D2分流葉片壓力脈動幅值逐漸增大，0.65D2的規(guī)律性最好，次波動較其他兩種方案明顯。P3點的3種分流葉片長度方案次波動都較為明顯，0.80D2與0.65D2兩種方案的壓力脈動變化規(guī)律幾乎一致，但0.55D2的壓力幅值顯然要大。在監(jiān)測點P4處0.55D2方案各周期的壓力脈動幅值變化太大；0.80D2方案的周期壓力的上升和下降對稱性較好，但壓力下降曲線曲率陡峭，壓力變化劇烈。P5點靠近蝸殼出口，添加分流葉片帶來的次波動更為明顯，0.55D2方案的壓力幅值大于0.80D2和0.65D2。P6點位于蝸殼出口，壓力值大于其他監(jiān)測點，比較3種方案的壓力變化情況可以得出，0.80D2壓力變化幅值顯然要大，0.55D2由于分流葉片作用長度太短，對減弱出口處的壓力脈動不明顯，不利于提高離心泵揚(yáng)程和效率。

各監(jiān)測點壓力脈動幅值如表1所示。比較P1點與P2～P6點的壓力脈動值，可以看出，由于P1點處于隔舌位置，此處間隙最小，動靜干涉作用強(qiáng)烈，壓力幅值較大；同時由于蝸殼出口的水流疊加作用，卡門渦街產(chǎn)生的漩渦明顯，加劇干涉作用；

圖3 流場監(jiān)測點壓力脈動時域圖Fig.3 Pressure pulsation time domain of field monitor points

表1 3種分流葉片長度離心泵監(jiān)測點壓力脈動幅值 PaTab.1 Pressure pulsation amplitude of three length splitterblades centrifugal pump in monitor points

比較3種方案的壓力脈動幅值，0.80D2方案的壓力脈動值在隔舌位置和蝸殼出口位置的大于0.55D2方案，說明在這更短的分流葉片在這兩個位置水力性能差于長分流葉片，但隨著分流葉片長度的增加，壓力脈動幅值先減小再增大，說明分流葉片長度并非越長越好，0.65D2長度方案優(yōu)于0.55D2和0.80D2方案。

2.2 徑向力分析

運(yùn)行中徑向力的存在會讓軸系受到交變應(yīng)力，誘使泵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動和噪聲，加劇泵零部件的磨損，徑向力的大小和變化規(guī)律直接影響到泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。徑向力主要由水流作用在葉輪和蝸殼上的不平衡力引起。不同分流葉片長度離心泵葉輪徑向力與蝸殼徑向力分布如圖4、5所示，表示在圓周上葉輪與蝸殼所受X、Y方向的合力。

比較蝸殼與葉輪的徑向力分布，可以看出在一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，葉輪和蝸殼上的徑向力都呈現(xiàn)5個主要周期和5個次要周期，次要周期由添加了分流葉片引起，這與壓力脈動周期變化規(guī)律一致；蝸殼徑向力明顯大于葉輪上的徑向力，說明蝸殼的結(jié)構(gòu)不對稱導(dǎo)致流場不對稱，是徑向力產(chǎn)生的主要原因。

圖4中0.55D2分流葉片方案葉輪的徑向力大小明顯大于0.65D2、0.80D2兩種方案，且徑向力大小的周期變化明顯紊亂；而0.80D2長度分流葉片的葉輪徑向力略大于0.65D2，變化規(guī)律成良好的周期性。同樣在圖5蝸殼徑向力分布圖中，0.55D2的幅值大于其他兩種方案，隨著分流葉片長度的增加，蝸殼徑向力遵循先降低再升高的原則，綜合比較下，0.65D2長度方案更優(yōu)。

圖6是3種不同分流葉片長度作用在葉輪和蝸殼徑向力的頻域圖。葉頻倍頻脈動表達(dá)式：Fr=nz/60，n為轉(zhuǎn)速，z為葉片數(shù)。分析圖6可知，采用不同長度的分流葉片，葉輪和蝸殼上的徑向力脈動均以葉輪葉片通過頻率為主，分別為F1=483.3 Hz和F2=241.6 Hz。作用在蝸殼上徑向力的高頻脈動小于葉輪，且葉輪在小于葉片頻率的低頻范圍內(nèi)的脈動也大于蝸殼。

圖4 3種分流葉片長度離心泵葉輪徑向力Fig.4 Impeller radial force of three length splitter blades centrifugal pump

圖5 3種分流葉片長度離心泵蝸殼徑向力Fig.5 Volute radial force of three length splitter blades centrifugal pump

比較0.55D2、0.65D2、0.80D2三種長度分流葉片的頻域，徑向力脈動頻率變化規(guī)律基本相似，在葉輪和蝸殼上，0.65D2方案的幅值小于其他兩種方案，0.55D2的徑向力幅值最大。隨著分流葉片長度增加，變化規(guī)律同樣遵循先降低再升高的原則，這也與壓力脈動的分析結(jié)果一致。

圖6 3種分流葉片長度葉輪與蝸殼徑向力頻域圖Fig.6 Impeller and volute radial force frequency domain of three splitter blades length centrifugal pump

3 結(jié) 語

設(shè)計0.55D2、0.65D2、0.80D2三種長度分流葉片離心泵，進(jìn)行三維全流場非定常數(shù)值模擬，對比分析壓力脈動和徑向力特性。結(jié)論如下：

(1)帶分流葉片離心泵壓力脈動呈主要周期和次要周期，隔舌位置處由于動靜干涉作用，壓力脈動幅值較大；蝸殼出口處壓力脈動幅值較大。

(2)由于蝸殼的結(jié)構(gòu)不對稱，蝸殼上的徑向力遠(yuǎn)大于葉輪上的徑向力；葉輪和蝸殼的徑向力脈動以葉片的通過頻率為主，作用在蝸殼上的徑向力高頻脈動小于葉片，葉輪上的徑向力低頻脈動大于蝸殼。

(3)0.65D2長度分流葉片離心泵壓力脈動和徑向力特性優(yōu)于0.55D2和0.80D2方案。隨著分流葉片長度的增加，壓力脈動和徑向力先減小再增大。分流葉片過短，改善葉輪出口射流-尾流結(jié)構(gòu)作用不明顯；分流葉片過長，會增大葉片的排擠系數(shù)，造成進(jìn)口堵塞。選取合理長度的分流葉片有利于減小壓力脈動和徑向力。

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