過(guò)流部件粗糙度對(duì)船用離心泵振動(dòng)特性的影響

邱 勇，郭 超，潘 琦，董 亮，劉厚林

（1.江蘇振華?？蒲b備科技股份有限公司，江蘇泰州 225500；2.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

泵在使用過(guò)程中，常常會(huì)應(yīng)用到各種工作環(huán)境，由于受到多種因素的影響，過(guò)流表面的粗糙度往往也會(huì)發(fā)生變化從而影響泵的性能。為研究加工精度對(duì)泵的性能的影響，眾多學(xué)者以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為對(duì)象就整體過(guò)流表面粗糙度的變化進(jìn)行了深入研究。SOLTANI等［1］的研究表明葉片表面粗糙度會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的性能。KANG等［2］采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)了粗糙度對(duì)單級(jí)軸流渦輪機(jī)的性能的影響，結(jié)果得出，表面粗糙度的變化直接影響軸流渦輪機(jī)的效率。隨著研究深入，部分學(xué)者對(duì)表面局部粗糙度也開(kāi)始不同程度的研究，REN等［3］對(duì)翼型表面不同位置設(shè)置粗糙度，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)邊部分比隨邊部分受粗糙度影響更大。MARZABADI等［4］研究翼型導(dǎo)邊粗糙度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)邊粗糙度會(huì)使得渦分離提前發(fā)生，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率下降?；舾ｙi等［5-6］在離心風(fēng)機(jī)葉片局部粘貼粗糙度片，研究發(fā)現(xiàn)效率有所上升，指出粗糙度片面積并不是越大越好而是存在一個(gè)臨界值。馮建軍等［7-8］采用CFD數(shù)值模擬的方法研究不同粗糙度對(duì)軸流泵性能影響。談明高等［9］以12臺(tái)不同比轉(zhuǎn)速的離心泵為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT軟件詳細(xì)分析了粗糙度對(duì)離心泵性能的影響。趙斌娟等［10］研究表明，0.2 mm壁面粗糙度對(duì)離心泵外特性影響最大。高軍甲等［11］對(duì)輸油離心泵葉輪進(jìn)行電解拋光從而使得泵效率提高了5%。付飛等［12］對(duì)近年來(lái)關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在表面粗糙度的研究進(jìn)行了總結(jié)，得出粗糙度的變化影響了葉片表面的邊界層和流體繞流，從而影響葉輪機(jī)械的性能，且總體來(lái)說(shuō)粗糙度的增加會(huì)使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能下降。

對(duì)于壁面粗糙度對(duì)振動(dòng)的影響部分學(xué)者也進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，陳文禮等［13］采用基于湍流模型方法的CFX中剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，研究了光滑圓截面在不同來(lái)流風(fēng)速條件下的渦致振動(dòng)特性。董亮等［14］用離心泵作為研究對(duì)象，研究了振動(dòng)信號(hào)總水平的變化規(guī)律。JOHNSON等［15］用雙圓盤(pán)機(jī)分析了表面粗糙度對(duì)接觸振動(dòng)的影響。汪久根等［16］利用Fokker-Planck方程分析了表面粗糙度對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)的影響。高云等［17-19］通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的手段研究了粗糙度對(duì)圓柱體渦激振動(dòng)的影響，得出隨著粗糙度的上升，圓柱體渦激振動(dòng)響應(yīng)最大值呈下降趨勢(shì)。茅鍵等［20］研究了施加低頻振源后的粗糙度評(píng)定參數(shù)大小為未施加任何振源的粗糙度評(píng)定參數(shù)大小的2倍左右。雖然對(duì)于過(guò)流壁面粗糙度對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響有了一定的研究，但在泵領(lǐng)域大部分研究還是集中研究粗糙度對(duì)泵的外特性以及內(nèi)流性能方面。而粗糙度對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)的振動(dòng)研究較少。本文重點(diǎn)對(duì)過(guò)流壁面粗糙度對(duì)船用泵機(jī)組水力性能以及振動(dòng)性能的影響，給出其定性規(guī)律，為水力參數(shù)設(shè)計(jì)以及制造加工精度提供有效的指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

以一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)為66.7的船用離心泵為研究對(duì)象，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Qd=25 m3/h、揚(yáng)程H=34 m、轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min。表1給出了葉輪和蝸殼的主要幾何參數(shù)。

表1 主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用UG進(jìn)行船用泵機(jī)組三維模型以及流體域計(jì)算模型的建立。圖1示出全流場(chǎng)計(jì)算模型，包括：進(jìn)口彎管、葉輪水體、腔體、蝸殼水體以及出口延長(zhǎng)段。

圖1 流場(chǎng)模型Fig.1 Model of flow field

泵機(jī)組系統(tǒng)三維模型如圖2所示，包括電機(jī)、托架、泵體、進(jìn)水管、底座。

圖2 泵機(jī)組三維模型Fig.2 3D model of pump unit

1.2 研究方案

本文根據(jù)粗糙度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行粗糙度方案選擇，先對(duì)光滑壁面以及粗糙度等級(jí)為1.6，50.0 μm進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算，分析振動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有著線性上升趨勢(shì)，于是繼續(xù)增加粗糙度來(lái)探尋粗糙度對(duì)泵體振動(dòng)的規(guī)律，確定了以下5個(gè)方案來(lái)定性確定粗糙度與泵體振動(dòng)規(guī)律見(jiàn)表2。

表2 壁面粗糙度等級(jí)方案Tab.2 Wall roughness grade scheme

1.3 流場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

本文采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值計(jì)算。以彎管進(jìn)口延長(zhǎng)段作為計(jì)算域進(jìn)口，設(shè)置為總壓 1.01×105Pa（1 atm）；以出口延長(zhǎng)段為流域出口，設(shè)置為質(zhì)量流量邊界。葉輪水體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，其余水體均設(shè)置為靜止域，在動(dòng)靜部件間使用交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；對(duì)于定常計(jì)算，使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面（Fronzen rotor interface），而對(duì)非定常計(jì)算，采用瞬態(tài)動(dòng)靜交界面（Transient Rotor/stator interface），網(wǎng)格關(guān)聯(lián)采用GGI方式；泄漏流道內(nèi)表面即前后蓋板外表面，其設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度及方向均與葉輪水體相同。對(duì)于壁面粗糙度等級(jí)的設(shè)置，在CFX中的將所有流體計(jì)算域的wall邊界條件設(shè)置粗糙度，按照方案確定的粗糙度等級(jí)進(jìn)行設(shè)置。穩(wěn)態(tài)設(shè)置：定常計(jì)算采用高精度一階迎風(fēng)求解方式，求解總步數(shù)設(shè)置為2 000步，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為自動(dòng)時(shí)間步，收斂判據(jù)選為平均值RMS，收斂精度為10-4。瞬態(tài)設(shè)置：本次非定常數(shù)值計(jì)算中，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為ΔT=0.000 112 99 s，即葉輪每旋轉(zhuǎn)2周即獲取一次流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)流場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯周期性且這種周期性變化達(dá)到穩(wěn)定之后，提取計(jì)算后12個(gè)旋轉(zhuǎn)周期數(shù)據(jù)對(duì)非定常流體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1.4 振動(dòng)計(jì)算設(shè)置

采用LMS Virtual lab專業(yè)聲振仿真軟件對(duì)離心泵體進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，其中泵體材料為鑄鐵且具備各向同性，彈性模量E=135 GPa，密度為ρ =7 000 kg/m3，泊松比μ =0.3，阻尼比 ζ=0.01。在瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算中提取蝸殼及葉輪表面的壓力脈動(dòng)作為振動(dòng)激勵(lì)，激勵(lì)源具有連續(xù)性且發(fā)散。將CFD（Computational Fluid Dynamic）流場(chǎng)計(jì)算得到的壓力脈動(dòng)時(shí)域信息經(jīng)傅里葉變化后轉(zhuǎn)換為頻域信息，隨后插值到振動(dòng)計(jì)算所需的結(jié)構(gòu)有限元模型上。

對(duì)于振動(dòng)計(jì)算，首先需要確定的是約束位置以及約束條件，圖3示出本文所確定的約束條件示意。

圖3 模型約束示意Fig.3 Schematic diagram of model constraints

2 粗糙度對(duì)泵振動(dòng)特性的影響規(guī)律分析

2.1 壁面粗糙度對(duì)水力性能的影響

本文主要研究不同粗糙度等級(jí)泵內(nèi)流體激勵(lì)對(duì)泵體的振動(dòng)影響情況，所以本文中的載荷即為流體載荷?；诩庸ぞ葮?biāo)準(zhǔn)，采用商業(yè)軟件CFX進(jìn)行各壁面粗糙度設(shè)置。不同粗糙度外特性結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同粗糙度外特性曲線Fig.4 External characteristic curves for different roughness

由圖4可以看到，隨著粗糙度的增加，船用泵外特性呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)粗糙度由0增加到3.2 μm時(shí)，流量揚(yáng)程下降并不明顯，揚(yáng)程從37 m下降到了36.8 m，下降不到1%。效率從72.1%下降到了71.7%，下降也不到1%。而隨著粗糙度繼續(xù)增加，外特性開(kāi)始下降明顯，粗糙度到了50 μm，時(shí)，對(duì)比光滑壁面揚(yáng)程效率均下降7%左右。

2.2 壁面粗糙度對(duì)泵機(jī)組主要振動(dòng)的影響

圖5示出了各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意，4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于電機(jī)座，進(jìn)、出口法蘭，底座。

圖5 泵機(jī)組各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意Fig.5 Schematic diagram of each vibration measuring point of pump unit

根據(jù)這些測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)來(lái)判別振動(dòng)的趨勢(shì)以及規(guī)律，計(jì)算得出不同粗糙度等級(jí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度信號(hào)，為了方便分析，將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并利用振動(dòng)速度級(jí)處理方式，得出不同粗糙度三方向振動(dòng)疊加后寬頻圖譜如圖6所示，進(jìn)而可以探尋不同粗糙度對(duì)整個(gè)振動(dòng)寬頻帶的影響。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙度的增加整個(gè)頻帶都有上升的趨勢(shì)，而最明顯的就是葉頻處，通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)粗糙度對(duì)低頻振動(dòng)影響比較大，而對(duì)于中高頻（500 Hz之后）影響主要在于倍葉頻，觀察不同測(cè)點(diǎn)各粗糙度的低頻帶振動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，改變粗糙度對(duì)泵體低頻特征值的幅值影響加大，尤其在電機(jī)座以及底座測(cè)點(diǎn)，而底座測(cè)點(diǎn)低頻帶振幅明顯小于其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，且特征頻率相比其他測(cè)點(diǎn)也變得不明顯。說(shuō)明底座的螺栓約束使得底座在低頻帶振動(dòng)上有了明顯的降低。

圖6 不同粗糙度三方向振動(dòng)疊加后寬頻圖譜Fig.6 Broadband spectrum after superposition of three-direction vibration with different roughness

3 結(jié)論

本文運(yùn)用UG軟件建立船用泵機(jī)組外部的三維結(jié)構(gòu)模型以及內(nèi)部的三維全流場(chǎng)模型，并運(yùn)用ANSYS中ICEM以及workbench對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而后基于流場(chǎng)結(jié)果提取泵內(nèi)流表面壓力脈動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)葉輪三方向徑向力，并以此為激勵(lì)加載到泵體進(jìn)行泵機(jī)組流體誘導(dǎo)振動(dòng)計(jì)算，并得到各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度頻譜響應(yīng)。分析后得到以下結(jié)論。

（1）隨著粗糙度的增大泵的揚(yáng)程、效率都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（2）流體激勵(lì)下主頻在葉片通過(guò)頻率處（295 Hz），次頻在3倍葉頻處，且各倍葉頻在整個(gè)寬頻帶上占據(jù)主要地位。

（3）不同粗糙度等級(jí)下，各頻譜特征頻率完全一致，并未發(fā)生偏移，主頻在葉頻（295 Hz）處，諧頻在各倍葉頻處，隨著粗糙度增加，主頻峰值有著不同程度的降低，但降低的值并不明顯。

（4）粗糙度的變化對(duì)低頻帶振動(dòng)影響較大，尤其在10～295 Hz范圍，且粗糙度對(duì)葉頻及其倍頻幅值變化影響較大。