偏置小翼對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)及尾跡結(jié)構(gòu)的影響

高波，周志威，倪丹，張寧，顧嘉嶸

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

離心泵是指靠葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來輸送液體的泵，其廣泛應(yīng)用于電力、冶金、煤炭、建材等輸送含有固體顆粒的漿體.離心泵內(nèi)動(dòng)靜干涉是產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要激勵(lì)源，而葉片尾跡是影響動(dòng)靜干涉現(xiàn)象的重要因素，特別對(duì)葉頻處壓力脈動(dòng)能量影響顯著[1-2].葉片尾跡與隔舌產(chǎn)生干涉作用后，葉片尾緣的脫落渦撞擊隔舌后產(chǎn)生的切割和變形可誘發(fā)強(qiáng)烈的流體激勵(lì)力，在該區(qū)域造成較大的壓力脈動(dòng)幅值[3-5].通過改變?nèi)~片葉型，可有效降低葉片尾緣的脫落渦強(qiáng)度，改善流動(dòng)分離現(xiàn)象，提高整泵水力效率[6-8]，同時(shí)也可以顯著改善葉片出口區(qū)域的流動(dòng)均勻性，進(jìn)而降低壓力脈動(dòng)強(qiáng)度[9].因此開展離心泵葉輪葉片改型設(shè)計(jì)，改善葉輪尾跡結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化離心泵內(nèi)部干涉流場(chǎng)，是降低動(dòng)靜干涉作用影響的重要途徑，也可為低振動(dòng)噪聲離心泵水力設(shè)計(jì)提供新方法[10-11].

翼型葉片對(duì)優(yōu)化葉片尾跡結(jié)構(gòu)與降低葉片脫落渦強(qiáng)度效果顯著[12]，為此提出了一種用于離心泵葉輪的翼型葉片優(yōu)化結(jié)構(gòu).另外，錯(cuò)列葉柵可改變單翼型的尾跡結(jié)構(gòu)[13]，故文中在翼型葉片的基礎(chǔ)上增設(shè)偏置小翼，形成錯(cuò)列葉柵，改善葉輪出口尾跡.文中以一臺(tái)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵為研究對(duì)象，基于DDES方法，開展普通葉輪、翼型葉片葉輪和偏置小翼葉輪這3種方案的數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析3種方案下泵壓力脈動(dòng)特性與尾跡結(jié)構(gòu)，揭示偏置小翼對(duì)泵壓力脈動(dòng)和尾跡結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，以期為高效低噪聲離心泵設(shè)計(jì)提供參考.

1 模型泵參數(shù)與設(shè)計(jì)方案

模型泵設(shè)計(jì)流量Qd=55 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=20 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，具體參數(shù)可見文獻(xiàn)[5].普通葉輪方案如圖1a所示.

圖1 葉輪設(shè)計(jì)方案

翼型葉片葉輪與偏置小翼葉輪在該普通葉輪基礎(chǔ)上修改，具體修改如下：將常規(guī)厚度變化的圓柱葉片改為NACA4418翼型葉片，如圖1b所示；為改善葉輪尾跡，優(yōu)化葉輪出口流動(dòng)狀態(tài)，在翼型葉片基礎(chǔ)上增設(shè)偏置小翼，翼型與長(zhǎng)葉片相同，如圖1c所示.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型泵網(wǎng)格劃分

圖2為離心泵計(jì)算域示意圖，其中葉輪為旋轉(zhuǎn)域，進(jìn)口管、蝸殼、擴(kuò)散段為靜止域.采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)泵全流域進(jìn)行劃分，為了保證結(jié)果的精確性，對(duì)邊界層進(jìn)行加密處理，如圖3所示.經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于1.2×107時(shí)，邊界層壁面y+值變化較小.為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，最終選取總網(wǎng)格數(shù)為12 729 370.

圖2 離心泵計(jì)算域

圖3 離心泵網(wǎng)格

2.2 數(shù)值計(jì)算方法及驗(yàn)證

為探究葉片尾跡對(duì)壓力脈動(dòng)的影響，在蝸殼流道內(nèi)沿旋轉(zhuǎn)軸均勻布置20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示.采用DDES對(duì)泵設(shè)計(jì)工況下的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算[5]，可以阻止模型應(yīng)力損耗以及網(wǎng)格導(dǎo)致的分離，能夠精細(xì)地捕捉葉片尾跡，且對(duì)邊界層網(wǎng)格要求低.采用SIMPLEC算法以及二階迎風(fēng)格式，葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其他部件為固定域，采用Interface對(duì)部件結(jié)合面進(jìn)行處理，其余壁面Wall采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，殘差精度設(shè)為1×10-6.進(jìn)口采用速度邊界條件、出口采用壓力出口條件，壓力設(shè)置為101.325 kPa.將基于SSTk-ω湍流模型的定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件，為保證數(shù)值模擬的計(jì)算精度，葉輪流道內(nèi)庫(kù)朗數(shù)約為0.36，其他流域庫(kù)朗數(shù)為0.69，最終確定非定常模擬計(jì)算步長(zhǎng)△t=0.000 114 9 s，即離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)1°所需要的時(shí)間.

圖4 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

首先對(duì)模型泵的流量和揚(yáng)程進(jìn)行了變換，用下式進(jìn)行量綱一化

(1)

(2)

式中：u2為葉片出口的切向速度；R2為葉輪的外半徑；g為重力加速度.

研究發(fā)現(xiàn)普通葉輪方案的SSTk-ω，DDES數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的性能曲線基本吻合，在設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程系數(shù)誤差小于0.025[5].圖5為不同計(jì)算方法下的速度云圖，可以看出，計(jì)算方法流動(dòng)結(jié)構(gòu)是相似的，但是DDES能夠更加精確地捕捉到內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)，可認(rèn)為該方法更準(zhǔn)確可靠.

圖5 不同計(jì)算方法下的速度云圖

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

定義偏置角φ為長(zhǎng)葉片尾緣至葉輪旋轉(zhuǎn)中心與短葉片尾緣至葉輪旋轉(zhuǎn)中心的夾角，L=R0/R2為偏置小翼葉片長(zhǎng)度，其中R2為葉輪外半徑，R0為葉片截?cái)帱c(diǎn)到葉輪中心的距離，將偏置截?cái)嗪蟮膱A柱葉片按翼型葉片厚度分布規(guī)律設(shè)計(jì)為翼型葉片.對(duì)不同偏置角度下的葉輪進(jìn)行性能預(yù)測(cè)可知(如圖6所示)：偏置小翼葉輪做功能力增強(qiáng)，揚(yáng)程H均有所增加，當(dāng)小翼置于長(zhǎng)葉片工作面?zhèn)葧r(shí)(負(fù)角度)，效率ηh顯著下降，而置于背面?zhèn)葧r(shí)(正角度)，效率幾乎不變；對(duì)不同R0/R2偏置小翼進(jìn)行性能預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短葉片長(zhǎng)度為0.85時(shí)揚(yáng)程達(dá)到最高點(diǎn).綜合以上因素，偏置小翼方案選取偏置角φ為10°，L=R0/R2=0.85.

圖6 設(shè)計(jì)工況不同偏置角及不同長(zhǎng)度下小翼的離心泵外特性曲線

3.1 外特性

圖7為不同方案泵外特性對(duì)比，其中Φ為流量系數(shù),圖中所示的OR為普通葉輪方案，AF為翼型葉片方案，DAF為偏置小翼方案.

由圖7可知：與普通葉輪方案相比，翼型葉片方案的揚(yáng)程在小流量工況較低，在設(shè)計(jì)工況以及大流量工況相差較小.偏置小翼方案揚(yáng)程明顯高于其他2個(gè)方案，在設(shè)計(jì)工況下，揚(yáng)程增加12%，在設(shè)計(jì)工況以及大流量工況效率提升，效率最高點(diǎn)較普通葉輪方案增加3.06%，設(shè)計(jì)工況及大流量工況效率明顯提高，高效工作區(qū)變寬.

圖7 不同方案離心泵外特性曲線

3.2 壓力脈動(dòng)

通過非定常計(jì)算提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)信號(hào)，選取葉片-隔舌動(dòng)靜干涉作用較強(qiáng)的隔舌附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)，經(jīng)過FFT變換得到設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)頻譜圖，如圖8所示.3種方案均捕捉到明顯的葉頻(145 Hz)及其倍頻.在普通葉輪方案下，可以捕捉到明顯的低頻雜亂信號(hào)；在隔舌附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2有大量低頻雜亂信號(hào).改用翼型葉片方案后該現(xiàn)象有明顯改善，大量低頻雜亂信號(hào)得到了一定程度的抑制，且捕捉到了1.5倍軸頻(37 Hz)，可能為周期性的脫落渦導(dǎo)致.偏置小翼方案低頻信號(hào)進(jìn)一步被抑制，1.5倍軸頻消失，葉頻幅值明顯下降，在隔舌處葉頻幅值最高下降43%，由此可知，偏置小翼對(duì)降低離心泵壓力脈動(dòng)、抑制低頻雜亂信號(hào)有明顯效果.

圖8 設(shè)計(jì)工況壓力脈動(dòng)頻譜圖

圖9為壓力脈動(dòng)葉頻幅值周向分布，在隔舌附近干涉作用最強(qiáng)，沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向，動(dòng)靜干涉作用逐漸減弱.在隔舌附近普通葉輪方案葉頻幅值最高，翼型葉片方案次之，偏置小翼方案最低.在隔舌下游處，翼型葉片方案與偏置小翼方案葉頻幅值相差較小.

圖9 壓力脈動(dòng)葉頻幅值分布

圖10為蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)0～fBPF頻段壓力脈動(dòng)分布，普通葉輪方案在低頻處存在大量低頻雜亂信號(hào)，隔舌處脈動(dòng)能量最高，翼型葉片方案及偏置小翼方案壓力脈動(dòng)能量明顯降低，翼型葉片方案存在能量較高的1.5倍軸頻，在其他低頻處脈動(dòng)能量較低，因此總體能量值低于偏置小翼方案.

圖10 0～fBPF頻段壓力脈動(dòng)幅值分布

3.3 尾跡渦結(jié)構(gòu)

圖11為尾跡渦量(Q準(zhǔn)則)時(shí)空分布圖，圖中t0為初始時(shí)刻；Δt為時(shí)間步長(zhǎng).普通葉輪方案在葉片尾緣工作面存在大量高渦量區(qū)，當(dāng)葉輪掃掠隔舌時(shí)該高渦量區(qū)從葉片尾緣脫落，形成大面積高渦量尾跡區(qū)，撞擊隔舌后呈現(xiàn)團(tuán)狀、條帶狀混合分布，高渦量區(qū)集中且密集，并向下游移動(dòng)，該尾跡周期性撞擊隔舌，這是引起離心泵壓力脈動(dòng)的主因[1]；翼型葉片方案葉片尾緣的脫落渦多呈現(xiàn)為條帶狀，葉片工作面尾緣的高渦量區(qū)消失，蝸殼流道中大面積的團(tuán)狀高渦量區(qū)被抑制；偏置小翼方案中小翼吸力面存在明顯尾跡區(qū)，該尾跡區(qū)與長(zhǎng)葉片尾跡相互干涉，使尾跡能量耗散加快，高渦量尾跡區(qū)明顯減少，尾跡多為零星條帶狀高渦量區(qū)，蝸殼流道中高渦量區(qū)明顯減少.由此可知，偏置小翼對(duì)改善葉片尾跡、優(yōu)化葉輪出口流動(dòng)具有積極作用.

圖11 葉輪尾跡Q準(zhǔn)則

三維渦結(jié)構(gòu)可更加直觀地展現(xiàn)流道中渦的分布規(guī)律，如圖12所示，等值面采用Q準(zhǔn)則,用壓力著色.由圖可知：普通葉輪方案蝸殼流道內(nèi)存在大量高渦量區(qū)，翼型葉片及偏置小翼方案相較模型泵方案團(tuán)狀高渦量區(qū)明顯減少，多為條帶狀高渦量區(qū).通過高渦量區(qū)對(duì)比，說明壓力脈動(dòng)低頻雜亂的信號(hào)多為葉輪尾跡中密集、碎裂的團(tuán)狀高渦量區(qū)撞擊隔舌導(dǎo)致，葉頻能量值則與條帶狀高渦量區(qū)撞擊隔舌相關(guān).翼型葉片和偏置小翼對(duì)離心泵葉片的尾跡渦具有明顯的抑制作用.

圖12 葉輪尾跡三維渦量分布

4 結(jié) 論

以低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵為研究對(duì)象，采用DDES方法，開展了泵內(nèi)精細(xì)非定常數(shù)值計(jì)算，對(duì)比了普通葉輪、翼型葉片葉輪和偏置小翼葉輪3種方案下的泵壓力脈動(dòng)頻譜特性及尾跡渦結(jié)構(gòu)，獲得的結(jié)論如下：

1) 偏置小翼改善了離心泵能量性能，與普通葉輪相比，設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程提高12%，高效點(diǎn)效率提高3.06%，且高效工作區(qū)變寬.

2) 偏置小翼可明顯抑制低頻雜亂信號(hào)，有效降低壓力脈動(dòng)葉頻幅值，在隔舌處葉頻幅值最高降低43%，改善了因壓力脈動(dòng)造成的離心泵振動(dòng)噪聲.

3) 翼型葉片及偏置小翼能改善葉輪尾跡，抑制大量團(tuán)狀高渦量區(qū)的形成，這是改善低頻雜亂激勵(lì)信號(hào)的重要因素，尾跡中條帶狀及團(tuán)狀渦量區(qū)明顯減少，撞擊隔舌的能量明顯下降，這是壓力脈動(dòng)葉頻幅值降低的主因.