轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵水力特性及壓力脈動(dòng)影響研究

柴博,董浩,李文華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

大多數(shù)高速小比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵普遍存在能效低、水力效率低等不足,導(dǎo)致資源浪費(fèi)較多,在航空高速離心泵領(lǐng)域?qū)Ρ贸隹诘膿P(yáng)程波動(dòng)有很高的要求,如果壓力脈動(dòng)差額過大,將造成高速離心泵運(yùn)行的不穩(wěn)定,振動(dòng)及噪聲明顯,甚至減少使用壽命。根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)幾種單級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)的分類,廣泛使用的是傳統(tǒng)型離心泵和輔助葉輪型離心泵二種典型構(gòu)型,圖1為兩種離心泵的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 兩種不同循環(huán)方式離心泵

由圖1結(jié)構(gòu)可以看出傳統(tǒng)型離心泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工難度低,配合背葉輪和平衡孔等可以獲得可靠的動(dòng)平衡,但由于存在出口回流,因此有一定的水力效率損失,大約為5%到10%左右。而輔助葉輪型雖能保證水力效率,但由于輔助葉輪的存在又降低了一定的軸功率。文獻(xiàn)[2]研究表明輔助葉輪型比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)泵的能量損耗大,且內(nèi)部葉輪加工、裝配較為復(fù)雜。

在高轉(zhuǎn)速離心泵中,文獻(xiàn)[3]提出了空化是影響離心泵設(shè)計(jì)的一個(gè)主要因素,在設(shè)計(jì)離心泵時(shí),必須要考慮空化;文獻(xiàn)[4]基于CFD研究了空化下離心泵的性能,通過分析瞬態(tài)下空化隨流量變化曲線來預(yù)測離心泵外特性的性能;文獻(xiàn)[5-7]應(yīng)用SST湍流和Rayleigh-Plesset空化模型對(duì)離心泵進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比不同工況下的體積分布,闡述了內(nèi)部流動(dòng)堵塞的原因;文獻(xiàn)[8]表明葉輪進(jìn)口面壓力分布強(qiáng)烈,蝸殼出口壓力脈動(dòng)值較小;在文獻(xiàn)[9]可知目前有多種軸向力平衡方法,但采用平衡盤與平衡鼓結(jié)構(gòu)會(huì)增加了整體重量,還沒有一種不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)能獲得很好的軸向力平衡方法;文獻(xiàn)[10]采用GA算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò),對(duì)離心泵葉輪主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,但模型預(yù)測精度不夠好。

由以上內(nèi)容可知:目前對(duì)于高速(一般轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以上)、小型(長度在30 mm內(nèi))、輕量化(2 kg內(nèi))的小比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵研究較少,且大部分研究都是離心泵葉輪優(yōu)化對(duì)水力性能的影響,很少有人對(duì)離心泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

本文以一臺(tái)轉(zhuǎn)子螺旋槽式結(jié)構(gòu)離心泵為研究對(duì)象,使用SolidWorks對(duì)泵進(jìn)行三維流體域建模,采用Workbench Mesh對(duì)各過流部件劃分網(wǎng)格,采用 Fluent對(duì)轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵進(jìn)行全流場數(shù)值模擬及空化特性研究。

1 數(shù)值模型

1.1 原型泵結(jié)構(gòu)模型

對(duì)轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵各部件進(jìn)行三維建模如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵泵體結(jié)構(gòu)示意圖

離心泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下:流量為220 L/h,揚(yáng)程為35.4 m,轉(zhuǎn)速為11 000 r/min,比轉(zhuǎn)數(shù)為20,葉片數(shù)z=6,輪轂直徑為10.5 mm,進(jìn)口直徑為10.35 mm,葉輪外徑為46.47 mm,出口寬度為1.44 mm,出口安放角為30°。

轉(zhuǎn)子采用一種開雙向成180°對(duì)稱布置的螺旋槽式結(jié)構(gòu),取代了傳統(tǒng)離心泵的出口回流流道與副葉輪結(jié)構(gòu),由文獻(xiàn)[11]研究可知該結(jié)構(gòu)可使螺旋槽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力與葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力相互抵消一部分,還可以增加電機(jī)內(nèi)流體介質(zhì)循環(huán)速度,提高散熱性。泵體采用集成泵體和半開式葉輪,在減少軸向力的同時(shí)還減小了總體重量和尺寸。軸承板上開斜通孔,在葉輪上開平衡孔,在壓力差的影響下,流體經(jīng)軸承板上的通孔流入葉輪內(nèi),且流入流體的靜壓比該位置原有的靜壓力大,能在一定程度上提高揚(yáng)程、水力效率和有用功率。

1.2 流體域模型及網(wǎng)格劃分

以圖2離心泵結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,以圖1a)離心泵作為比對(duì)對(duì)象。采用SolidWork軟件對(duì)兩種離心泵各部件進(jìn)行三維流體域建模,整個(gè)泵的計(jì)算域分見表1所示。

表1 不同過流部件網(wǎng)格數(shù)量

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究將出口流體進(jìn)行延長以減少數(shù)值計(jì)算誤差,兩種離心泵整體流體域模型如圖3所示。

圖3 兩種不同型號(hào)離心泵流體域模型

對(duì)兩種離心泵流體域模型采用非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格來劃分,對(duì)螺旋槽式轉(zhuǎn)子、隔舌、交換孔、葉輪刀壁面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,選取不同網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行試運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由圖4可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)到達(dá)1.68×106后,揚(yáng)程與泵總效率已經(jīng)趨近于平穩(wěn),為了減少計(jì)算時(shí)間,最終選取該網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬分析,圖5為在該網(wǎng)格數(shù)下各流體域網(wǎng)格劃分情況。

圖5 轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵各流體域網(wǎng)格

1.3 控制方程

根據(jù)文獻(xiàn)[13]對(duì)湍流模型研究,對(duì)轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵采用更適合旋轉(zhuǎn)流場的SSTκ-ω湍流模型,表示為:

(1)

(2)

其中:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型,該模型適用于原型泵內(nèi)的空化及空泡的產(chǎn)生與潰滅,其質(zhì)量傳輸方程[14]如下:

當(dāng)P

(8)

式中:Ce為氣化經(jīng)驗(yàn)系數(shù),Ce=50;αnuc為氣化體積分?jǐn)?shù),αnuc=5×10-4;α為汽化體積分?jǐn)?shù);ρv為蒸汽密度;RB為汽泡半徑,RB=1.0×10-6m;PV為汽化壓力；P為流場的靜壓力；ρ1為流體密度。

當(dāng)P>PV時(shí),將由汽相變?yōu)橐合?凝結(jié)速率RC為

(9)

式中CC為凝結(jié)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),CC=0.01。

1.4 邊界條件

Fluent設(shè)置中,選用壓力入口,質(zhì)量流出口;其中葉輪與螺旋槽式轉(zhuǎn)子流場為旋轉(zhuǎn)域,其余流場為靜止域;動(dòng)靜結(jié)合面設(shè)置為Interface,以穩(wěn)態(tài)下的數(shù)值模擬結(jié)果作為壓力脈動(dòng)的初始流場,收斂精度為10-4,在非定常中設(shè)置單位步長Δt=4.545×10-5(即轉(zhuǎn)3°的時(shí)間),設(shè)定葉輪旋轉(zhuǎn)6個(gè)周期,取最后較穩(wěn)定的360個(gè)時(shí)間步長進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 原型泵外特性分析

在5種不同工況下兩種離心泵葉輪中截面靜壓云圖分別如圖6和圖7所示(Q=220 L/h)。

圖6 不同流量下原型泵葉輪中截面靜壓云圖

圖7 不同流量下傳統(tǒng)離心泵葉輪中截面靜壓云圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。采用直流穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵供電,通過改變直流穩(wěn)壓電源的電壓值來使電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定,通過振動(dòng)頻譜分析法來監(jiān)測轉(zhuǎn)速,得到不同工況下的出口壓力進(jìn)行外特性計(jì)算并與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖8 離心泵試驗(yàn)裝置圖

參照文獻(xiàn)[15]揚(yáng)程與有效軸功率計(jì)算公式,在額定工況下的出口壓力、揚(yáng)程與有效功率的試驗(yàn)與數(shù)值模擬圖如圖9所示。

圖9 額定工況水力性能實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比

由圖9可得,出口壓力、揚(yáng)程、有效功率的最大誤差分別為2.34%、2.65%、3.59%,出口壓力和揚(yáng)程的最大誤差發(fā)生在了低流量下,泵總效率最大誤差發(fā)生在0.72Qd工況下,總體趨勢(shì)符合流量壓力反比例曲線方程,數(shù)值模擬可靠。

將圖6和圖7進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)型與轉(zhuǎn)子槽形離心泵在額定工況下水力性能對(duì)比

槽形離心泵相較于傳統(tǒng)型泵的出口壓力更大,整體壓力增大0.03 MPa,揚(yáng)程整體約有2.6 m的提升,泵有效功率在低流量下提升較小,在高流量下提升較高,有約為4 W的提升。

2.2 空化特性曲線

泵的有效空化余量,計(jì)算公式為

(10)

式中:pin為泵進(jìn)口靜壓;pva為流體飽和蒸氣壓取3 540 Pa;vs為泵進(jìn)口的流速;g為重力加速度。

在20 ℃室溫下繪制轉(zhuǎn)子槽形離心泵設(shè)計(jì)工況下的泵空化性能曲線,如圖11所示。

圖11 設(shè)計(jì)工況下泵空化性能曲線

由圖11可得,當(dāng)NPSHa較大時(shí),離心泵內(nèi)無空化現(xiàn)象產(chǎn)生,揚(yáng)程基本穩(wěn)定不變,當(dāng)NPSHa從1.998 m下降至1.488 m,此時(shí)揚(yáng)程下降約3%,隨著NPSHa繼續(xù)下降,離心泵已基本達(dá)到失效的狀態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵在設(shè)計(jì)工況下的臨界空化余量NPSHc=1.488 m(此時(shí)進(jìn)口壓力為18 582 Pa)。

2.3 不同空化余量下的空泡及靜壓分布

為分析葉輪內(nèi)空化形成過程,在Fluent選擇葉輪中截面,保持流量不變逐步降低進(jìn)口壓力,泵內(nèi)空泡體積分布如圖12所示,當(dāng)NPSHa=1.488 m時(shí),葉片入口刀尖角處開始出現(xiàn)空化,雖然各葉片吸力面的空化情況略有不同,但總體而言,空化發(fā)生最嚴(yán)重的位置為葉片吸力面靠近出口蝸殼處。當(dāng)NPSHa=0.149 m時(shí),葉輪內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生堵塞,泵體不能運(yùn)行。不同NPSHa下的泵內(nèi)靜壓分布如圖13所示。

圖12 不同NPSHa下的泵內(nèi)空泡體積分布

圖13 不同NPSHa下的泵內(nèi)靜壓分布

由圖13可知,在不同NPSHa下,流道內(nèi)的壓力梯度都表現(xiàn)為在葉片吸力面的靜壓力較低。當(dāng)NPSHa較高時(shí),離心泵葉輪內(nèi)部各區(qū)域靜壓分布較為均勻,隨著NPSHa的不斷降低,葉輪內(nèi)部低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大,且靜壓分布不均勻。低壓區(qū)的初始分布主要在葉輪的進(jìn)口位置。當(dāng)NPSHa進(jìn)一步減小時(shí),葉輪內(nèi)部大范圍流場都出現(xiàn)了靜壓值較低。低壓區(qū)不斷向出口附近的葉片壓力面和葉輪擴(kuò)散,低壓區(qū)的擴(kuò)展方向與圖12空化方向相同,當(dāng)NPSHa低于1.488 m時(shí),葉輪內(nèi)部的大部分流體靜壓值都變?yōu)榱黧w的飽和蒸氣壓值,這使得離心泵出口靜壓力值急劇降低,泵揚(yáng)程由40 m逐漸下降至24 m,使泵無法正常工作。

3 葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)分析

3.1 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

針對(duì)泵內(nèi)不同部位壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析,對(duì)離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置了若干監(jiān)測點(diǎn)。選取葉輪中截面作為蝸殼監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)定面。轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵泵體內(nèi)部共設(shè)置22個(gè)監(jiān)測點(diǎn),在蝸殼內(nèi)壁面表面沿著其圓周方向繞葉輪旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)方向每隔45°布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn),其中In表示葉輪進(jìn)口檢測點(diǎn),Out表示葉輪出口檢測點(diǎn);各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖14所示。

圖14 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

3.2 泵體內(nèi)非定常壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析

對(duì)非定常壓力脈動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,為減少量綱帶來的數(shù)據(jù)波動(dòng)和誤差影響,需引入離心泵壓力脈動(dòng)無量綱系數(shù)Cp描述內(nèi)部各監(jiān)測點(diǎn)非定常壓力脈動(dòng),定義離心泵內(nèi)時(shí)域壓力脈動(dòng)系數(shù)為:

(11)

(12)

由圖15壓力脈動(dòng)時(shí)域圖可知各監(jiān)測點(diǎn)均保持顯著的周期變化,隔舌E1～E3的波動(dòng)幅度最大,其值為0.25;蝸殼靠近隔舌位置的C0和C8波動(dòng)較大,約為0.2;葉輪同半徑圓上壓力面D4～D6的壓力脈動(dòng)程度均高于吸力面D1～D3,而葉輪入口、葉片入口角的脈動(dòng)幅值較小。

圖15 Q=220 L/h設(shè)計(jì)工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

圖15中各圖呈現(xiàn)正弦曲線波動(dòng),這是由勢(shì)流干涉引起的,而波動(dòng)中的副波峰是由尾跡干涉產(chǎn)生,并且C0、C8監(jiān)測點(diǎn)處副波峰峰值較大,其值為0.2;在C5、C6副波峰峰值較小,說明靠近隔舌處尾跡干涉明顯造成壓力脈動(dòng)值較大。

3.3 泵體內(nèi)非定常壓力脈動(dòng)頻域特性分析

為進(jìn)一步分析頻域特性隨位置的變化特點(diǎn),取非定常計(jì)算最后3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期監(jiān)測點(diǎn)的瞬時(shí)壓力,對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行FFT變換,并對(duì)變換后的壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行無量綱化處理,該壓力脈動(dòng)幅值系數(shù)定義為

(13)

式中pA為FFT得到的壓力脈動(dòng)幅值，Pa。

額定工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜圖如圖16所示。

圖16 設(shè)計(jì)工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖

隨著頻率的增加,各監(jiān)測點(diǎn)雖有幅值波動(dòng),但總體均向低頻區(qū)轉(zhuǎn)移,在超過2 000 Hz后,各監(jiān)測點(diǎn)幅值接近于0,頻域峰值出現(xiàn)在葉輪的2倍頻(366.66 Hz)附近,葉頻(183.33 Hz)的壓力脈動(dòng)幅值為第二峰值,葉輪監(jiān)測點(diǎn)D0～D6在葉輪6倍頻(1 100 Hz)附近出現(xiàn)了較小峰值,隔舌附近不同監(jiān)測點(diǎn)處壓力脈動(dòng)均呈現(xiàn)與葉輪葉片相同的周期性特征,且隔舌位置的峰值最高為23.57,比葉輪處峰值D6高了約5倍。

4 結(jié)論

1) 在轉(zhuǎn)子上加入螺旋槽形結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)新性,能簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高水力性能、增強(qiáng)軸向力平衡能力。經(jīng)轉(zhuǎn)子螺旋槽形結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比,泵的水力特性相較于傳統(tǒng)型離心泵大約提升了約為7.89%左右。

2) 轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)離心泵臨界空化余量為1.488 m,葉片靠近出口處吸力面區(qū)域空化發(fā)生最為嚴(yán)重,但在入口壓力大于20 000 Pa后不會(huì)發(fā)生空化。

3) 隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值最高,葉輪壓力面比吸力面的壓力脈動(dòng)幅值提高了約3倍;葉輪峰值頻率為2倍葉輪主頻位置,且在6倍頻處也發(fā)生了峰值波動(dòng),但總體壓力脈動(dòng)幅值小于0.25,泵內(nèi)部流動(dòng)較平穩(wěn),能夠滿足額定工況條件要求。

由以上說明在轉(zhuǎn)子上引入螺旋槽結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)副葉輪的做法合理,提高了水力特性的同時(shí)還能保持壓力脈動(dòng)幅值波動(dòng)在合理范圍內(nèi)。