葉片包角對(duì)中比轉(zhuǎn)速泵流場(chǎng)及水力振動(dòng)的影響分析

馬逢伯

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163711)

1 中比轉(zhuǎn)速離心水泵技術(shù)參數(shù)以及數(shù)字模型的建立

1.1 技術(shù)參數(shù)

某中比轉(zhuǎn)速離心水泵額定流量Qd=130 m3/h，工作轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，額定揚(yáng)程H=21 m。本文利用CFturbo生成了該水泵主要零件的三維模型【1】。為了獲得更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，采用UG軟件對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，將葉輪進(jìn)口和蝸殼出口按實(shí)際情況進(jìn)行了延伸。圖1為葉片包角φ=122°時(shí)的離心泵主要零件模型【2】。

圖1 離心泵三維模型示意

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD中要想得到正確的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，來(lái)模擬流體真實(shí)流動(dòng)的情況。網(wǎng)格劃分質(zhì)量也決定著計(jì)算的精度與收斂性。為了兼顧計(jì)算精度與穩(wěn)定性，本文在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用了非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，并在影響分析結(jié)果程度較大的位置(例如進(jìn)、出口以及葉輪表面和隔舌等位置)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，這樣不僅提高了計(jì)算的精度，也有效控制了網(wǎng)格劃分的總數(shù)【3】。

建立離心泵模型時(shí)的葉片包角為122°，出口安放角為27°。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中進(jìn)口段網(wǎng)格總數(shù)308 491，葉輪網(wǎng)格總數(shù)800 721，蝸殼網(wǎng)格總數(shù)826 256，出口段網(wǎng)格總數(shù)325 882【4】。

2 計(jì)算方法及邊界條件

為了更加符合離心泵的實(shí)際工況，采用標(biāo)準(zhǔn)RNGκ-ε湍流模型，進(jìn)口邊界條件選取總壓恒定，壓力為101 325 Pa；出口邊界條件選取質(zhì)量流量。葉輪作為旋轉(zhuǎn)部件，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，采用GGI模式分析離心泵工作時(shí)的流體運(yùn)動(dòng)對(duì)主要工作參數(shù)的影響，并對(duì)收斂精度為10-6時(shí)的5種工作狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算。首先進(jìn)行定量和常量情況下的計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行非定量與非常量情況下的計(jì)算【5】。非定量與非常量的條件設(shè)置為：將葉輪旋轉(zhuǎn)3°所需的時(shí)間Δt=3.448 3×10-4s設(shè)定為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，在該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行10次采樣，并將采樣誤差控制在10-6內(nèi)。選取6個(gè)周期的總時(shí)間t=0.248 76 s進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果顯示，在第3個(gè)周期后，系統(tǒng)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，可以選取最后2個(gè)周期進(jìn)行進(jìn)一步分析【6】。

3 結(jié)果分析

3.1 外特性分析

離心泵的外特征分析需要用到外特征曲線。外特征曲線是根據(jù)揚(yáng)程、效率、流量的相互關(guān)系與規(guī)律生成的。本文研究包角對(duì)外特征的影響。當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)離心泵的外特征進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得到外特征曲線(見(jiàn)圖2)。揚(yáng)程和效率按式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 外特性變化曲線

(1)

式中：H——離心泵的揚(yáng)程，m；

Pin——離心泵的進(jìn)口總壓，Pa；

Pout——離心泵的出口總壓，Pa；

ρ——輸送液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

ΔZ——離心泵出口的高度差，m。

(2)

式中：η——離心泵的效率；

Q——流量，m3/h；

m——離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)的扭矩，N·m；

ω——離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

圖2顯示了離心泵葉片包角在幾個(gè)不同數(shù)值情況下的外特性曲線。在設(shè)計(jì)流量下的最佳葉片包角為122°，這時(shí)離心泵的效率最高，并且外特征曲線向大流量方向偏移；在大流量情況下，隨著葉片包角的增大，離心泵的整體工作效率下降，分析其原因是由于葉片包角增大導(dǎo)致摩擦損失增加所引起的【7】。

3.2 壓力脈動(dòng)分析

導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)壓力脈動(dòng)的原因有很多，主要是由于葉輪與蝸殼動(dòng)靜干涉以及泵內(nèi)二次回流導(dǎo)致壓力發(fā)生周期變化產(chǎn)生的。為了進(jìn)一步觀察壓力脈動(dòng)的變化，在離心泵內(nèi)選取了幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 離心泵內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置

圖4顯示了流量分別為0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd并采取不同的葉片包角時(shí)，葉輪流道壓力的脈動(dòng)頻域分布。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量值都經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(FFT)。壓力脈動(dòng)研究所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照離心泵實(shí)際情況給出。葉輪為6葉片形式，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，轉(zhuǎn)頻N和葉頻f分別為24.17 Hz與290Hz。分析圖4可知，壓力脈動(dòng)主要來(lái)源為離心泵葉輪的轉(zhuǎn)頻，在流量與葉片包角發(fā)生變化時(shí)，順著流體的流動(dòng)方向從監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y1～Y5之間的壓力脈動(dòng)幅值呈上升趨勢(shì)。Y1至Y5處的轉(zhuǎn)頻最大值出現(xiàn)在N=24.27 Hz時(shí)，隨頻率增加，壓力脈動(dòng)的幅值呈先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)f=169 Hz時(shí)，離心泵的壓力脈動(dòng)頻域中出現(xiàn)次幅值，并且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)最大幅值隨著葉片包角的增大而增大，說(shuō)明葉片包角的大小直接影響著離心泵壓力脈動(dòng)，二者成正比例關(guān)系。

圖4 離心泵葉輪流道壓力脈動(dòng)頻域分布

圖5記錄了離心泵在設(shè)計(jì)流量下采用不同葉片包角工作時(shí)的蝸殼流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域分布。通過(guò)對(duì)圖5的分析能夠發(fā)現(xiàn)：幅值變化較大的頻率區(qū)間為0～600 Hz，而最大壓力脈動(dòng)幅值均出現(xiàn)在145 Hz時(shí)，即1倍葉頻處；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況非常類似，出現(xiàn)最大幅值的位置相同，壓力脈動(dòng)幅值最大位置出現(xiàn)在隔舌監(jiān)測(cè)點(diǎn)T處，最小位置出現(xiàn)在離葉輪出口位置最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)V4處；在所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，壓力脈動(dòng)幅值隨葉片包角的增大而逐漸增大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有隔舌監(jiān)測(cè)點(diǎn)T和出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)B兩個(gè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)V1～V4在試驗(yàn)中均呈現(xiàn)出與葉片包角增加趨勢(shì)相反的反比例規(guī)律。

圖5 離心泵蝸殼流道壓力脈動(dòng)頻域分布

4 結(jié)語(yǔ)

以1臺(tái)中比轉(zhuǎn)速離心泵為例進(jìn)行研究，分析了葉片包角變化對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)的影響。試驗(yàn)通過(guò)定常和非定常的數(shù)值模擬測(cè)定了葉片包角為116°、122°和128°時(shí)離心泵的外特性曲線，進(jìn)而對(duì)葉輪流道與蝸殼流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，得到如下2個(gè)結(jié)論：

1) 葉片包角122°時(shí)中比轉(zhuǎn)速離心泵處于最佳的工作狀態(tài)，能夠獲得設(shè)計(jì)工況下的最高工作效率，并且最佳效率點(diǎn)向大流量點(diǎn)偏移，對(duì)中比轉(zhuǎn)速離心泵的工作非常有利，使其在設(shè)計(jì)流量和大流量工況下的揚(yáng)程高于葉片包角為116°和128°時(shí)。

2) 設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉片包角的增大起到了降低葉輪流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)的作用，使離心泵葉輪流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)減小，并且最小值出現(xiàn)在葉片包角為122°時(shí)，也就是說(shuō)這個(gè)數(shù)值是中比轉(zhuǎn)速離心泵葉片包角的最優(yōu)選擇。葉片包角的大小對(duì)蝸殼流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)影響較小。