葉片交錯布置對水泵蝸殼內(nèi)部流動影響

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院，湖北省十堰市 442002）

0 引言

雙吸離心泵在大型調(diào)水工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著南水北調(diào)工程的開展，雙吸離心泵正朝著大型化的方向發(fā)展，例如惠南莊泵站所采用的雙吸離心泵葉輪直徑高達(dá)1.75m，單機(jī)功率達(dá)到7500kW[1]。雙吸離心泵尺寸的不斷增大，功率增加，其運(yùn)行穩(wěn)定性問題就更加突出，在泵的內(nèi)部流動存在較強(qiáng)的壓力脈動，容易誘發(fā)機(jī)組的振動和噪聲[2，3]。

離心泵壓力脈動研究表明，離心泵內(nèi)部動靜部件的干涉作用和葉輪出口處的“射流—尾跡”是產(chǎn)生較大壓力脈動的主要根源[4，5]。為了降低壓力脈動，很多學(xué)者提出了諸如適當(dāng)改變隔舌位置與葉輪出口之間的間隙及隔舌形狀、調(diào)節(jié)運(yùn)行工況等辦法來控制和改善離心泵的壓力脈動情況[6-8]。將雙吸離心泵葉輪兩側(cè)葉片均勻交錯布置形式已經(jīng)在惠南莊泵站得到了應(yīng)用，并有效降低了壓力脈動。Spence等[9]運(yùn)用CFD軟件研究了一臺雙蝸殼雙吸離心泵的壓力脈動特性，考慮了對稱布置、15°交錯布置和30°交錯布置，結(jié)果也證實了葉輪布置形式對壓力脈動影響較大。姚志峰等[10]采用試驗方法通過對五種不同形式葉輪分別安裝到相同的雙吸離心泵泵體內(nèi)進(jìn)行壓力脈動性能測試，表明葉輪交錯布置可以有效降低壓力脈動。但是對葉輪交錯布置角度的變化降低壓力脈動的機(jī)理，以及對水泵性能的研究還比較少。要揭示其內(nèi)部機(jī)理，就必須對蝸殼內(nèi)部的流動特征進(jìn)行分析。

為此，本文采用大渦模擬法，對雙吸離心泵在不同葉片交錯角度下的內(nèi)部流場進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析葉片交錯角度變化對離心泵蝸殼內(nèi)部非定常流場的影響。

1 計算模型

本文選取的試驗對象為一臺雙吸離心泵，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：葉輪進(jìn)口直徑D0=700mm，葉輪外徑D2=1200mm，葉片數(shù)＝6；主要性能參數(shù)為：額定流量Q=10800m3/h，揚(yáng)程H=32m，轉(zhuǎn)速n=490r/min。為了研究葉輪不同交錯角度對雙吸離心泵性能的影響，本文共選取了5組對應(yīng)的交錯角度分別為10°、15°、20°、25°、30°，其中對稱布置的葉輪和均勻交錯的葉輪如圖1所示。

圖1 不同交錯角度葉輪Fig.1 Impeller at different angles

2 數(shù)值計算方法

雙吸離心泵的計算域包括吸水室、葉輪和蝸殼。由于幾何模型復(fù)雜，故采用基于六面體和四面體單元的混合網(wǎng)格生成技術(shù)對模型進(jìn)行劃分，并對吸水室半螺旋段、葉片、隔舌區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，計算域及網(wǎng)格如圖2所示。最后生成的網(wǎng)格單元數(shù)為248萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)229萬。對于不同交錯角度下的網(wǎng)格劃分采用相同的策略，網(wǎng)格單元數(shù)基本相同。

圖2 雙吸離心泵計算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid of double suction centrifugal pump

本文采用大渦模擬方法作為湍流模型來研究雙吸離心泵內(nèi)部湍流壓力脈動，并采用Dynamic Smagorinsky-Lily亞格子尺度模型作為大渦模擬的SGS模型。其邊界條件計算設(shè)置如下：在進(jìn)口法蘭處設(shè)速度進(jìn)口，其值通過流量和進(jìn)口過流面積確定；出口取在泵出口法蘭處，設(shè)置為自由出流，認(rèn)為泵內(nèi)流動在出口部分已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)；對于泵內(nèi)轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的交界面，引入滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行處理；固壁采用無滑移壁面條件。

采用穩(wěn)態(tài)RANS定常計算結(jié)果作為非定常計算的初始流場。采用有限體積法對瞬態(tài)控制方程進(jìn)行離散，非耦合隱式方案進(jìn)行求解，對流項離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力項離散采用對高雷諾數(shù)的高速強(qiáng)旋流更有效的PRESTO差分格式。壓力和速度的耦合求解采用非定常計算的PISO算法。為了得到足夠分辨內(nèi)部流場的非定常信息，計算時間步長取為3.4×10-4s，每60個時間步為一個葉片通過周期[6]。

本文將在泵的設(shè)計工況下，分別對5種隔舌間隙進(jìn)行數(shù)值計算。壓力脈動的監(jiān)測面和監(jiān)測點(diǎn)需要設(shè)定在流道中壓力脈動具有代表性的位置，故在蝸殼壁面共設(shè)置了8個壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 壓水室表面壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure fluctuation monitoring points on the surface of pressure water chamber

3 結(jié)果分析

3.1 外特性預(yù)測

計算得到泵的流量揚(yáng)程及流量效率曲線，如圖4所示，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由圖可知，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果在趨勢上完全一致。其中，效率計算值在小流量工況下比試驗值略低，在大流量時比試驗值略高，但與試驗值相比不超過5%；而揚(yáng)程計算值在小流量時略低于試驗值，在設(shè)計流量及大流量下與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，最大相對誤差不超過3%?？梢?，該模型能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測了該泵的外特性，也為進(jìn)一步的預(yù)測分析提供了保證。

圖4 外特性曲線Fig.4 External characteristic curve

3.2 不同隔舌間隙情況下的外特性對比

設(shè)計流量下水泵的揚(yáng)程隨交錯角度的變化情況如圖5表示。由圖可以看出，隨著交錯角度的增大，揚(yáng)程和效率均有所下降，這是因為交錯之后，葉輪兩側(cè)出口流動相互摻混，水力損失增大。

圖5 設(shè)計工況下不同交錯角度對外特性的影響Fig.5 Influence of different stagger angles on external characteristics under design conditions

3.3 蝸殼內(nèi)部流場分析

在設(shè)計工況下，選擇一個典型時刻t1，即葉片出口邊距隔舌最近的時刻，研究葉片交錯角度變化對泵內(nèi)壓力和速度分布的影響。圖6所示為設(shè)計工況下t1時刻，蝸殼內(nèi)部流場分布。由圖可知，蝸殼內(nèi)的壓力分布隨著流動方向逐漸增大，受葉片交錯角度變化的影響不大。但是它對蝸殼內(nèi)部的渦結(jié)構(gòu)有明顯影響。隨著葉片交錯角度的增大，蝸殼內(nèi)部旋渦不再保持對稱，旋渦大小和強(qiáng)度也略有降低。

圖7所示為不同葉片交錯角度下，隔舌區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)特征。由圖中可以看出，三種葉片交錯角度下，當(dāng)角度增大時，隔舌處的渦結(jié)構(gòu)上下不一致，相互影響抵消，從而渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和大小減弱。

圖7 不同交錯角度下隔舌區(qū)域渦結(jié)構(gòu)分布Fig.7 Vortex structure distribution in the tongue with different cross angles

3.4 壓力脈動特性分析

設(shè)計工況下，不同葉片交錯角度監(jiān)測點(diǎn)C1的壓力脈動時域圖如圖8所示。從壓力變化波形來看，隨著葉片交錯角度的增大，脈動幅度逐漸減小。當(dāng)均勻交錯時，脈動幅度最小，約為0°時的75%左右。

設(shè)計工況不同隔舌間隙下監(jiān)測點(diǎn)C1處的壓力脈動頻域特性如圖9所示。由圖可見，主導(dǎo)泵內(nèi)壓力脈動的頻率依然是以葉片通過頻率。葉片交錯角度在變大過程中，壓力脈動幅值呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。當(dāng)均勻交錯時，脈動幅度最小，與0°時相比，脈動幅值降低了約70%。

圖6 不同交錯角度下蝸殼內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)分布Fig.6 Vortex structure distribution in the spiral case with different cross angles

圖8 不同交錯角度下C1處壓力脈動時域圖Fig.8 Time domain diagram of pressure fluctuations at point C1 under different stagger angles

圖9 不同交錯角度下C1處壓力脈動頻域圖（Q =Qd）Fig.9 Frequency-domain diagram of pressure pulsation at C1 under different stagger angles

4 結(jié)束語

本文采用大渦模擬方法，對雙吸離心泵葉輪不同交錯角度下的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并著重對蝸殼內(nèi)的流場特性及壓力脈動特性進(jìn)行了重點(diǎn)分析，初步得到以下結(jié)論：

（1）隨著交錯角度的增大，雙吸離心泵效率和揚(yáng)程與對稱布置的葉輪相比，整體上略有下降。

（2）葉片交錯角度變化對蝸殼內(nèi)壓力內(nèi)部的橫向流動也有一定影響，隨著葉輪交錯角度的增加，橫向流動的旋渦面積和強(qiáng)度減小。

（3）不同交錯角度下，蝸殼內(nèi)壓力脈動頻域值均以葉片通過頻率為主，并且隨著交錯角度的增大，雙吸離心泵效率和揚(yáng)程整體上略有上升。

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