渦動(dòng)效應(yīng)下非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵內(nèi)流影響機(jī)制

岑春海 孔冬梅

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著生產(chǎn)生活需求的不斷提高，對(duì)離心泵也提出了高轉(zhuǎn)速、重載荷、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等設(shè)計(jì)要求。離心泵的轉(zhuǎn)子核心部件是泵轉(zhuǎn)軸與葉輪構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)[1-2]，而轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在長(zhǎng)期高效運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)發(fā)生失穩(wěn)故障，帶來(lái)各種安全隱患以及造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[3-5]。葉輪作為離心泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件之一，運(yùn)行在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等極端工況中，長(zhǎng)時(shí)間的交變應(yīng)力以及復(fù)雜的載荷狀況會(huì)引起轉(zhuǎn)子故障的產(chǎn)生，因此提高高轉(zhuǎn)速離心泵運(yùn)行時(shí)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性是研發(fā)人員在離心泵設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用中最重要的考慮因素[6-8]。本文主要采用三維離心泵的渦動(dòng)旋轉(zhuǎn)模型對(duì)不同葉輪結(jié)構(gòu)離心泵在不同渦動(dòng)情況下的流體域模型進(jìn)行定常數(shù)值模擬分析，研究了葉輪結(jié)構(gòu)、渦動(dòng)頻率比、流量和偏心距等對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

1 研究模型

1.1 計(jì)算模型

利用三維建模軟件CREO 對(duì)離心泵進(jìn)行實(shí)體建模，該離心泵的主要性能參數(shù)：Q=201.5m3/h、揚(yáng)程H=57m、轉(zhuǎn)速n=2950r/min。為探究非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵穩(wěn)定性的影響，需要針對(duì)原始對(duì)稱葉輪模型進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，如圖1(a)所示。采用的短葉片為原葉輪扭曲型葉片的2/3，其中沿進(jìn)口方向切除1/3，根據(jù)短葉片偏置理論設(shè)計(jì)了三種非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)方案，包括24、33、42（上標(biāo)為長(zhǎng)葉片數(shù)，下標(biāo)為短葉片數(shù)）三種方案，其中圖1(b)為兩個(gè)長(zhǎng)葉片四個(gè)短葉片相間不對(duì)稱分布示意圖，圖1(c)三個(gè)長(zhǎng)葉片三個(gè)短葉片相間不對(duì)稱分布示意圖，圖1(d)為四個(gè)長(zhǎng)葉片兩個(gè)短葉片相間不對(duì)稱分布示意圖。

圖1 葉輪葉片分布示意圖

1.2 控制方程

選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型作為計(jì)算中的湍流模型[9]。其表達(dá)式為：

湍流渦黏度μt可以用湍動(dòng)能k 和湍流耗散率ε 表示：

其中：Pt為湍動(dòng)能生成項(xiàng)，常數(shù)項(xiàng)為Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 渦動(dòng)效應(yīng)下不同方案離心泵外特性預(yù)測(cè)

給定渦動(dòng)頻率比ω/Ω=0.4，渦動(dòng)偏心距e=0.1mm、0.3mm、0.6mm，對(duì)不同葉輪結(jié)構(gòu)的離心泵的外特性進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)渦動(dòng)頻率比為0.4 時(shí)24、33、42方案的揚(yáng)程和效率在不同偏心距下相差不大，原模型的揚(yáng)程和效率在偏心距為0.1mm 和0.3mm 時(shí)，揚(yáng)程和效率的大小及變化趨勢(shì)也一致；但是當(dāng)偏心距為0.6mm 時(shí)原模型泵的揚(yáng)程較其它偏心距下降明顯，在小流量工況效率高于其它偏心距而當(dāng)流量超過(guò)0.8Qd后效率低于其它偏心距。這說(shuō)明渦動(dòng)頻率比為0.4 時(shí)，原模型葉輪在偏心量較大的情況下對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)影響較大，尤其是小流量工況，泵內(nèi)部流動(dòng)較為紊亂，加劇了轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定性；而非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)泵內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受渦動(dòng)偏心的影響不大，泵的性能基本相同。

2.2 葉輪流道流線分布

分析偏心距為0.6mm 時(shí)不同葉輪結(jié)構(gòu)下離心泵葉輪流道內(nèi)流場(chǎng)的變化情況，圖2 為四種葉輪結(jié)構(gòu)在0.1 倍、0.5 倍、0.9 倍葉高下葉輪流道內(nèi)流線分布狀況。

圖2 葉輪流道不同葉高截面的流線分布

從縱向觀察各圖，各葉輪方案中葉片工作面流速低于非工作面流速，其中原模型葉輪流道內(nèi)非工作面流速最高。這是因?yàn)榱黧w從進(jìn)口流入葉輪，由于葉片做功將流體從工作面流向非工作面，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，非工作面的流速高于工作面，而將對(duì)稱葉輪的長(zhǎng)葉片縮短，葉輪的做功能力略有降低，因而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)葉輪流道內(nèi)流速略低與原模型。

從橫向觀察各圖，0.1 倍、0.5 倍葉高時(shí)，各方案中流道內(nèi)流速的差較為均勻，而原模型在0.9 倍葉高時(shí)，靠近前蓋板葉輪進(jìn)口處有明顯的低速區(qū)，這是因?yàn)楸脙?nèi)流速差較大，泵內(nèi)部能量交換劇烈，從而使得泵內(nèi)部能量耗散最為劇烈，而其它方案葉輪流道內(nèi)沒(méi)有明顯的低速區(qū)，能量耗散也比原模型略少。24方案葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)了旋渦，而33方案、42方案葉輪流道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)較好，沒(méi)有出現(xiàn)旋渦，但33方案流道內(nèi)速度差較大，而42方案中流速差最小，且與原模型最相近，因此為降低渦動(dòng)效應(yīng)對(duì)泵內(nèi)能量損失的影響，應(yīng)選用42方案。

2.3 渦動(dòng)頻率對(duì)穩(wěn)態(tài)流體力的影響

以設(shè)計(jì)工況點(diǎn)(Q/Qd=1.0)，偏心距e=0.3mm 為例，研究四種葉輪方案中流體力的法向分力和切向分力與流量之間的關(guān)系。由圖3(a)可得：各方案在不同渦動(dòng)頻率比下的變化幅度都較小。其中，24方案的絕對(duì)值在各渦動(dòng)頻率比下都比較小；而其它三個(gè)方案的絕對(duì)值在各渦動(dòng)頻率比下都較大。這表明設(shè)計(jì)工況點(diǎn)、偏心距為0.3mm 時(shí)，24方案在各渦動(dòng)頻率比下法向振動(dòng)較小，尤其在大流量工況下幾乎沒(méi)有法向振動(dòng)。由圖3(b)可得：各方案隨著渦動(dòng)頻率比增大而減小，但其變化的幅度不大，其中，33方案和24方案受到的較小，為了減小流體力應(yīng)選用24方案葉輪。

圖3 渦動(dòng)頻率比ω/Ω 對(duì)流體力分量Fn*和Fτ*的影響曲線

2.4 渦動(dòng)偏心距對(duì)穩(wěn)態(tài)流體力的影響

以設(shè)計(jì)工況點(diǎn)（Q/Qd=1.0），渦動(dòng)頻率比ω/Ω=0.4 為例，研究了在四種葉輪方案中流體力的法向分力和切向分力Fτ*與渦動(dòng)偏心距之間的關(guān)系。由圖4(a)可得：當(dāng)e＜0.3mm 時(shí)除24方案以外各方案絕對(duì)值隨著偏心距的增大而增大；當(dāng)e>0.3mm 時(shí)原模型和42方案絕對(duì)值隨著偏心距的增大而減小，而24方案和33方案絕對(duì)值隨著偏心距增大而增大?？傮w看來(lái)上述各方案變化幅度都不大，其中24方案的絕對(duì)值在各偏心距下最小。這表明渦動(dòng)效應(yīng)下24方案葉輪在泵內(nèi)法向振動(dòng)比其它方案小。由圖4(b)可得：各方案中隨著渦動(dòng)偏心距的增加而不斷減小。其中24方案和33方案的較小，原模型和42方案的較大，這表明短葉片個(gè)數(shù)越多泵內(nèi)受到的切向流體激振力越小。

圖4 偏心距e 對(duì)流體力分量Fn*和Fτ*的影響曲線

3 結(jié)論

渦動(dòng)頻率比為0.4 時(shí)，大偏心距對(duì)原模型的性能影響很大，泵的揚(yáng)程在各流量均下降，效率在小流量略有升高大流量反而在下降；而非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)的泵在不同偏心距下，泵的揚(yáng)程、效率特性基本相同。

設(shè)計(jì)工況點(diǎn)、渦動(dòng)頻率比為0.4 時(shí)，原模型內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受大渦動(dòng)偏心距影響較大。而采用非對(duì)稱葉輪結(jié)構(gòu)，可有效降低渦動(dòng)偏心距對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)變化的影響，使得葉輪流道內(nèi)速度分布比原模型均勻，并且選用42方案時(shí)，離心泵內(nèi)壓力梯度最小，壓力分布均勻性最優(yōu)。

偏心距對(duì)法向流體力的影響不大，而切向流體力隨著渦動(dòng)偏心距的增加而不斷減小。渦動(dòng)頻率發(fā)生變化時(shí)，法向流體力和切向流體力均不隨之變化。