軸伸貫流泵壓力脈動(dòng)特性及其改善方法

劉志強(qiáng)，張玉全*，戴慶云，鄭源，吳東磊，韋雯倩

(1．河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2．江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210098)

貫流泵流道形式簡單，水力損失小，效率高，在低揚(yáng)程泵站中被廣泛應(yīng)用，對(duì)于城市供水、排澇防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域具有重要作用[1-2].泵的運(yùn)行穩(wěn)定性一直是研究重點(diǎn)，泵內(nèi)流場壓力脈動(dòng)及流動(dòng)旋渦等是影響水泵穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵內(nèi)流場壓力脈動(dòng)特性及其復(fù)雜流態(tài)演化做了大量研究.周強(qiáng)等[3]驗(yàn)證了模態(tài)節(jié)徑模式分析方法預(yù)測泵內(nèi)壓力脈動(dòng)分布的可行性，表明離心泵導(dǎo)葉流道進(jìn)口處壓力脈動(dòng)主要受葉片通過頻率及其倍頻影響.張寧等[4]研究發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙對(duì)于泵內(nèi)壓力脈動(dòng)能量的影響呈先減后增的非線性關(guān)系，合理的口環(huán)間隙能有效降低泵內(nèi)壓力脈動(dòng)水平.鄭源等[5]研究了軸流泵在失速工況下泵內(nèi)低頻壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉體內(nèi)漩渦的發(fā)展演化頻率與低頻脈動(dòng)頻率接近，表明低頻脈動(dòng)誘導(dǎo)源為導(dǎo)葉體內(nèi)的漩渦.李偉等[6]對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)進(jìn)行測量，表明葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口之間受動(dòng)靜干涉影響明顯，壓力脈動(dòng)主頻隨流量減小向高頻偏移，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)受流量影響最大，而遠(yuǎn)離葉輪監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)受流量變化影響減小.馮衛(wèi)民等[7]研究表明，小流量工況下后置導(dǎo)葉內(nèi)渦旋為導(dǎo)葉出口低頻脈動(dòng)出現(xiàn)的原因，前置導(dǎo)葉正角度調(diào)節(jié)可改善小流量工況下泵內(nèi)流態(tài)，大流量工況下前置導(dǎo)葉負(fù)角度調(diào)節(jié)則能降低低頻脈動(dòng)幅值并提高泵效率.

以往對(duì)泵的壓力脈動(dòng)特性研究主要集中在離心泵、混流泵及軸流泵等方面，而對(duì)于貫流泵的研究較少.同時(shí)水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)能降耗意義重大，使用導(dǎo)流板優(yōu)化改善貫流泵的壓力脈動(dòng)特性及流道內(nèi)流態(tài)有助于提高泵的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性.文中基于CFD數(shù)值模擬并結(jié)合真機(jī)試驗(yàn)，以某泵站軸伸貫流泵為研究對(duì)象，采用在其出水流道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板的方案，探究導(dǎo)流板對(duì)軸伸貫流泵在不同工況下的壓力脈動(dòng)特性及流道內(nèi)流態(tài)影響，從而為水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)及提高運(yùn)行穩(wěn)定性提供一定參考.

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖1為軸伸貫流泵計(jì)算模型，該模型過流部件包括進(jìn)水流道、前導(dǎo)葉區(qū)、葉輪室、后導(dǎo)葉區(qū)及出水流道共5部分，其主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)及幾何參數(shù)分別為揚(yáng)程Hd=2.5 m，流量Qd=10 m3/s，轉(zhuǎn)速n=250 r/min，葉輪直徑D=1.7 m，葉輪葉片數(shù)為4，前置導(dǎo)葉葉片數(shù)為5，后置導(dǎo)葉葉片數(shù)為7.

圖1 計(jì)算模型

為改善軸伸貫流泵壓力脈動(dòng)特性及其出水流道的旋渦流態(tài)，采用在出水流道彎管段內(nèi)放置導(dǎo)流板的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).導(dǎo)流板由1個(gè)中空的圓筒以及與中空?qǐng)A筒圓周面相切的3塊平板組成.出水流道彎管段直徑Dc=1 800 mm，導(dǎo)流板軸向長度L=1 200 mm，導(dǎo)流板放置位置如圖2a所示，圖2b為導(dǎo)流板軸向中心處的特征截面A-A尺寸，其中導(dǎo)流板圓筒外半徑為300 mm，內(nèi)半徑為275 mm，平板厚度為20 mm.

圖2 導(dǎo)流板

應(yīng)用ICEM CFD軟件采用自適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行劃分.對(duì)近壁面區(qū)采用邊界層網(wǎng)格，并在近壁面區(qū)加密網(wǎng)格，以更好地捕捉近壁面區(qū)的流動(dòng).進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，共采用6種不同網(wǎng)格數(shù)方案，當(dāng)原模型網(wǎng)格總數(shù)大于340萬時(shí)，其揚(yáng)程波動(dòng)小于1%，故最終確定原計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)為340萬.優(yōu)化模型的網(wǎng)格總數(shù)為475萬，其中進(jìn)水流道292 826，前導(dǎo)葉區(qū)1 043 679，葉輪室1 825 244，后導(dǎo)葉區(qū)754 250，出水流道834 816，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上.

對(duì)原模型及優(yōu)化模型在額定工況下分別進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如表1所示.可以看出，導(dǎo)流板的增設(shè)使得流道過流斷面面積減小，水頭損失增大，從而泵的揚(yáng)程及效率均有所降低.

表1 優(yōu)化前后泵揚(yáng)程和效率對(duì)比Tab.1 Comparison of head and efficiency before and after optimization

1.2 流場數(shù)值計(jì)算

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[8-9]，其中湍流模型選取RNGk-ε模型，邊界條件設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口和自由出流出口，交界面為“Interface”，壁面為無滑移光滑壁面類型.葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期為0.240 s，非定常計(jì)算時(shí)間步長設(shè)為0.005 s，即葉輪每轉(zhuǎn)過7.5°的時(shí)間，計(jì)算時(shí)長為2.4 s，即10個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期.

為獲得泵內(nèi)部流場的壓力脈動(dòng)信息，在前導(dǎo)葉進(jìn)口、葉輪進(jìn)口、葉輪出口及后導(dǎo)葉出口等各截面設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示.各截面上監(jiān)測點(diǎn)均沿半徑均勻設(shè)置2組，前導(dǎo)葉進(jìn)口處監(jiān)測點(diǎn)為a1—a4，葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)為b1—b4，葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)為c1—c4，后導(dǎo)葉出口監(jiān)測點(diǎn)為d1—d4.

圖3 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在江蘇南京秦淮新河泵站進(jìn)行，在5號(hào)機(jī)組前置導(dǎo)葉前端與葉輪前端部位開孔進(jìn)行壓力脈動(dòng)測試，測試過程中保證壓力傳感器與管道垂直安放.壓力傳感器選用昆山御賓電子科技有限公司的HPT900高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其精度為0.5%.

真機(jī)測試在轉(zhuǎn)速為250 r/min下進(jìn)行，選取壓力脈動(dòng)測試的采樣頻率為1 000 Hz，則采樣時(shí)間間隔為0.001 s.真機(jī)試驗(yàn)測量過程中，調(diào)試好儀器后，先測量30 s機(jī)組未運(yùn)行狀態(tài)，開啟機(jī)組，直接記錄從開機(jī)到停機(jī)全過程的壓力脈動(dòng).

額定工況下非定常數(shù)值計(jì)算10個(gè)周期，取穩(wěn)定運(yùn)行的3.8～5.0 s真機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原模型額定工況下數(shù)值計(jì)算后5個(gè)周期監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示.

圖4 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4可以看出：前導(dǎo)葉前端處數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的時(shí)域數(shù)據(jù)波形基本一致，幅值略有偏差，各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在6%以內(nèi)；受泵管壁開孔采樣點(diǎn)限制，葉輪前端監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的時(shí)域數(shù)據(jù)波形稍有偏差，靠近輪緣處2點(diǎn)的幅值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大偏差，靠近輪轂處的監(jiān)測點(diǎn)b1幅值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，相對(duì)誤差為7%；在前導(dǎo)葉前端處試驗(yàn)數(shù)據(jù)與監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)壓力脈動(dòng)主頻均為轉(zhuǎn)頻4.17 Hz，葉輪前端處二者的壓力脈動(dòng)頻域信號(hào)主頻、次頻一致，主頻為葉頻16.67 Hz，次頻為轉(zhuǎn)頻4.17 Hz，表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測軸伸貫流泵內(nèi)部流場流動(dòng)特性，這為進(jìn)一步分析壓力脈動(dòng)及出水流道內(nèi)流態(tài)提供了保證.

2.2 壓力脈動(dòng)特性對(duì)比分析

2.2.1 壓力脈動(dòng)時(shí)域特性

文中泵裝置模型數(shù)值計(jì)算均為泵正向運(yùn)行工況，所對(duì)應(yīng)真機(jī)運(yùn)行流量不小于0.6Qd的工況點(diǎn)皆位于其正向運(yùn)行水力性能曲線駝峰右側(cè)，高于失速點(diǎn)，故選取0.6Qd及1.0Qd工況進(jìn)行研究.為描述各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)特性，定義量綱一化壓力系數(shù)Cp為

(1)

式中：pi為監(jiān)測點(diǎn)在某一時(shí)刻的靜壓值；pave為1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)靜壓的平均值.

數(shù)值計(jì)算采取10個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，限于篇幅，僅選取原模型及優(yōu)化模型的監(jiān)測點(diǎn)a1，b1，c1，d1處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖5分別為0.6Qd工況及1.0Qd工況下各監(jiān)測點(diǎn)處原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)變化時(shí)域圖.

圖5 不同流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

由圖5a可以看出：在0.6Qd工況下，在前導(dǎo)進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)a1處，原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)幅值變化均較大，原模型的壓力脈動(dòng)幅值變化小于優(yōu)化模型；在葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)b1處，原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)變化周期性規(guī)律較好，在葉輪1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)有4個(gè)明顯的波峰和波谷，與葉輪葉片數(shù)相同；在葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)c1及后導(dǎo)葉出口監(jiān)測點(diǎn)d1處，原模型壓力脈動(dòng)幅值變化劇烈，優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)幅值變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原模型.

由圖5b可以看出：在1.0Qd工況下，原模型與優(yōu)化模型的監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)周期性規(guī)律較強(qiáng)，在前導(dǎo)葉進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)a1處，原模型與優(yōu)化模型監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)呈周期性變化，原模型壓力脈動(dòng)信號(hào)波峰與波谷之間存在一定的隨機(jī)脈動(dòng)信號(hào)，波形出現(xiàn)二次波峰，優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)在1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)存在5個(gè)明顯的波峰與波谷，與前導(dǎo)葉葉片數(shù)相同，并且脈動(dòng)變化幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原模型，說明在該工況下優(yōu)化模型的前導(dǎo)葉片導(dǎo)流作用更明顯；在葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)b1處，原模型與優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)在1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)存在4個(gè)明顯的波峰與波谷，與葉輪葉片數(shù)相同，且優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)變化幅值大大減??；在葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)c1處，原模型與優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)周期性變化規(guī)律明顯，脈動(dòng)變化幅值相似，但在1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動(dòng)變化劇烈，存在一定隨機(jī)脈動(dòng)信號(hào)，波形出現(xiàn)二次波峰，該處受動(dòng)靜干涉影響強(qiáng)烈；在后導(dǎo)葉出口監(jiān)測點(diǎn)d1處，原模型壓力脈動(dòng)變化不規(guī)則，優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)呈一定周期性變化，但脈動(dòng)幅值變化較原模型要大.

比較圖5a和圖5b，在額定流量工況下，原模型與優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性均優(yōu)于小流量工況，但不同流量工況下葉輪進(jìn)口處壓力脈動(dòng)周期性均較明顯.出水流道導(dǎo)流板在小流量工況下對(duì)葉輪后2個(gè)截面處壓力脈動(dòng)改善效果明顯，額定流量工況下有效降低了葉輪前2個(gè)截面處的壓力脈動(dòng)幅值.

2.2.2 壓力脈動(dòng)頻域特性

圖6分別為0.6Qd工況及1.0Qd工況下各監(jiān)測點(diǎn)處原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)變化頻域圖.

圖6 不同流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

由圖6a可以看出：在0.6Qd工況下，原模型與優(yōu)化模型在監(jiān)測點(diǎn)a1,b1,c1及d1處的壓力脈動(dòng)信號(hào)低頻區(qū)成分較復(fù)雜，在前導(dǎo)葉進(jìn)口a1處，原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)在0～35 Hz之間存在不同程度次頻，原模型壓力脈動(dòng)的主頻為13.33 Hz，次頻在轉(zhuǎn)頻4.17 Hz處最明顯，優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)主頻為3.33 Hz，次頻成分較原模型復(fù)雜；在葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)b1處原模型與優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻16.67 Hz，在0～35 Hz之間存在不同程度次頻，但頻率信號(hào)幅值較??；在葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)c1及后導(dǎo)葉出口監(jiān)測點(diǎn)d1處，原模型壓力脈動(dòng)主頻均為轉(zhuǎn)頻，在0～35 Hz之間存在復(fù)雜的次頻成分，其中監(jiān)測點(diǎn)c1處次頻在葉頻處最明顯，但在監(jiān)測點(diǎn)c1和d1處優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)信號(hào)幅值均大幅下降，且主頻與次頻差別不大.

由圖6b可以看出：在1.0Qd工況下，原模型前導(dǎo)進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)a1處主頻為轉(zhuǎn)頻，并存在頻率為葉頻、前導(dǎo)葉通過頻率的次頻，葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)b1處主頻為葉頻，存在頻率為轉(zhuǎn)頻、2倍葉頻的次頻；優(yōu)化模型前導(dǎo)進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)a1和葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)b1處的壓力脈動(dòng)頻率成分較原模型單一，次頻影響不顯著，監(jiān)測點(diǎn)a1處主頻由轉(zhuǎn)頻變?yōu)榍皩?dǎo)葉通過頻率，監(jiān)測點(diǎn)b1處主頻依舊為葉頻；葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)c1及后導(dǎo)葉出口監(jiān)測點(diǎn)d1處優(yōu)化模型壓力脈動(dòng)次頻成分較原模型增多，其中監(jiān)測點(diǎn)c1處主頻由轉(zhuǎn)頻變?yōu)?倍葉頻，但次頻影響非常大，存在多處不同程度的次頻，監(jiān)測點(diǎn)d1處主頻由轉(zhuǎn)頻變?yōu)?倍轉(zhuǎn)頻，并存在為轉(zhuǎn)頻頻率的次頻.

比較圖6a和圖6b，在小流量工況下，原模型與優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)頻域特性較額定工況要差，增設(shè)導(dǎo)流板后，小流量工況下葉輪后2個(gè)截面處的壓力脈動(dòng)低頻成分得到改善，額定流量工況下導(dǎo)流板有效改善了前導(dǎo)進(jìn)口及葉輪進(jìn)口處的低頻脈動(dòng)成分.

2.3 出水流道渦帶

為研究導(dǎo)流板對(duì)出水流道內(nèi)流態(tài)的影響，基于QC準(zhǔn)則[10]對(duì)小流量工況及額定流量工況下原模型與優(yōu)化模型的出水流道內(nèi)渦核分布進(jìn)行對(duì)比，分析導(dǎo)流板對(duì)出水流道內(nèi)的消渦效果.QC準(zhǔn)則計(jì)算公式為

(2)

式中：Wij為渦量幅值；Sij為應(yīng)變率幅值.

不同流量工況下原模型與優(yōu)化模型出水流道內(nèi)渦核對(duì)比如圖7所示，對(duì)應(yīng)時(shí)刻均為2.4 s，所設(shè)閾值均為QC=0.002.

圖7 不同流量工況下原模型與優(yōu)化模型出水流道渦核對(duì)比Fig.7 Comparison of vortex core in outlet flow chan-nel between original model and optimized model under different flow rate conditions

由圖7a可以看出：在0.6Qd工況下，原模型出水流道內(nèi)渦帶呈直徑較大的破碎中空帶狀，大量存在于彎管段內(nèi)，由出水流道進(jìn)口環(huán)繞轉(zhuǎn)軸向出水流道擴(kuò)散段發(fā)展，而優(yōu)化模型出水流道內(nèi)僅在出水流道進(jìn)口、流道內(nèi)轉(zhuǎn)軸及導(dǎo)流板葉片邊緣處存在少量渦帶，導(dǎo)流板消渦效果十分明顯.

由圖7b可以看出：在1.0Qd工況下，原模型出水流道內(nèi)少量渦帶環(huán)繞轉(zhuǎn)軸，并在其附近發(fā)展出一條長渦帶，長渦帶在擴(kuò)散段流道內(nèi)呈螺旋狀向出水流道出口發(fā)展，相較于0.6Qd工況下其內(nèi)部渦帶更加規(guī)則，直徑尺寸更小.增設(shè)導(dǎo)流板后同樣只在轉(zhuǎn)軸及導(dǎo)流板邊緣處存在少量渦帶，相較于0.6Qd工況下消渦效果更佳.

3 結(jié) 論

1) 對(duì)軸伸貫流泵模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，所得壓力脈動(dòng)結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法能較準(zhǔn)確預(yù)測軸伸貫流泵內(nèi)部流場壓力脈動(dòng)特性.

2) 小流量工況下原模型與優(yōu)化模型的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性、頻域特性較額定工況下差，但不同流量工況下葉輪進(jìn)口處壓力脈動(dòng)特性均受到旋轉(zhuǎn)葉輪顯著影響.額定工況下，增設(shè)導(dǎo)流板能有效改善葉輪前泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性，降低脈動(dòng)變化幅值及其低頻成分.小流量工況下增設(shè)導(dǎo)流板能改善葉輪后泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)變化幅值及其低頻成分.

3) 不同流量工況下導(dǎo)流板的消渦效果均十分顯著.文中導(dǎo)流板的型式、尺寸及安置位置僅有一種，后續(xù)可針對(duì)這3個(gè)影響因素對(duì)軸伸貫流泵的壓力脈動(dòng)特性的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究，以得出較優(yōu)方案.