葉片形式對串并聯泵內部流場及壓力脈動的影響

石海峽，鄒文鵬，李 躍 ，黃 鑫

(1.合肥工業(yè)大學機械工程學院，合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，合肥 230000)

0 引 言

串并聯泵是一個可以通過進口和出口兩個閥門的轉換擁有串聯和并聯兩種工況的特殊多級泵，有高揚程或大流量兩種工作狀態(tài)，一臺泵就完成兩臺泵串并聯工作任務，結構緊湊、可靠性高、調節(jié)方便，廣泛運用于消防、軍事、排水、船舶等領域。泵在高速運行的過程中造成內部流場的不穩(wěn)定會產生湍流，湍流中水流的相互摻混使流場內各點壓力在空間和時間上具有隨機性的脈動即壓力脈動，壓力脈動與機組振動、噪聲有著密切的聯系，其特性會引起機組振動，損害泵的水力部件，影響其水力性能和運行穩(wěn)定性，是衡量整個機組穩(wěn)定性的重要標志。隨著技術的發(fā)展進步，保證設備運行穩(wěn)定性、減少噪音振動、提高水力性能成為串并聯泵未來發(fā)展的必然方向[1]。因此，分析研究串并聯泵的流場規(guī)律、壓力脈動特性及其相對應的結構改進，對今后串并聯泵的發(fā)展都具有指導意義。

國內外學者有對流體機械設備的壓力脈動及振動特性做過大量研究，Wu D[2]等研究了循環(huán)水泵在不同流量下的噪聲、振動特性和非定常流動特性，應用技術，獲得了聲、壓波動和振動信號的顯頻頻譜，并成功地識別出它們的主頻率，發(fā)現設計工況的噪聲水平低于非設計工況，在部分負荷工況下聲壓級最高，泵的聲發(fā)射主要是由非定常流動和壓力波動引起的。Li W[3]對混流泵的流場和葉片結構響應進行了協同求解，研究了混流泵葉片轉子在流固耦合作用下的振動特性，比較了混流泵在不同流量條件下葉片表面的壓力分布，研究了葉片在靜載荷作用下的變形、等效應力分布和固有振動頻率。R. Spence[4]等通過三個不同工況15個監(jiān)測點，得到4個不同幾何參數相對重要性，旨在通過壓力脈動的降低，提高零部件壽命和降低噪音/振動的產生。Amro M[5]等通過監(jiān)測在葉片出口內部壓力波動，發(fā)現在雙蝸殼的鍋爐給水泵中v型切割形式增加葉片的葉片和蝸舌后緣之間的有效間隙，降低葉片和蝸殼的相互作用，在非設計工況下有效減少壓力波動。柴立平[6]等學者通過改變葉片的葉片數與出口安放角等參數，運用多相干的分析方法采集振動信號，得到影響串并聯泵內壓力脈動主要影響因素。李躍[7]等學者通過實驗的方式對監(jiān)測點內20～8000Hz范圍內的振動信號進行了頻譜分析，發(fā)現新型結構雖然水力效率低于原始結構但是減振降噪上有明顯的效果。

本文在之前的研究基礎之上，為了進一步研究串并聯泵的內部流動機理，設計選取2種葉片形式于已有的原型葉片進行對比，從水力特性及壓力脈動等方面分析其在串并聯泵中的適應情況，比較各形式之間的優(yōu)劣，為串并聯泵的進一步設計升級與減噪提供一定的參考。

1 數值模擬

1.1 幾何模型基本參數

串并聯泵有兩種工況，串聯工況下的額定流量Q=75 m3/h、揚程H=160 m、轉速n=2 900 r/min。并聯工況時下的額定流量Q=150 m3/h、揚程H=80 m、轉速n=2 900 r/min。

利用商業(yè)軟件Creo對串并聯泵三維造型,主要結構參數如表1所示，進出口管水體加長到需要的長度，以減小邊界條件對仿真結果的影響。串并聯泵模型水體圖見圖1。

表1 離心泵葉片基本結構參數

圖1 串并聯泵的模型水體圖

1.2 計算方法

用 ICEM CFD軟件對模型流道進行網格劃分，串并聯泵部件眾多，流道復雜，其中進口及出口延長段采用六面體網格，葉片及導葉流道采用四面體網格，保證網格質量在0.4以上，為保證計算結果收斂和準確進行網格無關測試，進行幾組測試之后，在保證揚程及效率不依賴網格數變化的前提下，得到整個計算區(qū)域網格，網格數在2 000 萬左右．迭代殘差設定為10-5，保證計算結果的收斂。邊界條件:進口邊界采用速度與軸向均勻分布Static Pressure一個大氣壓，出口邊界采用質量流量Mass Flow Rate，固壁的邊界條件采用無滑移邊界條件。交界面條件：定子與轉子之間的動靜交界面采用設置為凍結轉子模式。

1.3 方案的選擇及仿真可靠性驗證

葉片是泵中的動力部件，對泵的性能有著決定性作用，為單獨比較葉片形式對串并聯泵流場及壓力脈動的影響，對蝸殼、導葉及葉片出口和進口直徑等外形尺寸參數保持一致的情況下，設計了兩種滿足串并聯泵外特性需要的扭曲葉片及分流式葉片與原型的葉片進行對比，葉片的水體圖如圖2所示。

圖3是原型葉片實驗與仿真結果的對比圖，用工作流量Q與標況流量Qd的比值，從0.4～1.2共五種工況，對串聯和并聯兩種工況仿真結果與試驗的結果進行對比，H為揚程，E表示效率。并聯工況下揚程誤差范圍在2%～4.8%，效率的誤差約為1.5%～2.6%；串聯工況揚程在小流量工況下實驗與數值模擬的結果誤差很小，效率誤差在1%～5%之間。大流量工況下，由于串并聯泵的結構流道復雜，尤其是并聯工況下流量已經增大一倍，繼續(xù)增大流量泵內可能發(fā)生汽蝕等不穩(wěn)定運行情況，流量增大后設備的沖擊振動增大、蝸殼內回流嚴重等等因素嚴重影響了泵的外特性，揚程下降明顯。試驗中揚程、效率的測定依靠于壓力表、扭矩儀、頻閃儀，測量存在一定的誤差，仿真模擬都是建立在理想化模型基礎上的，對機械損失，加工誤差等很多因素忽略不計，在大流量工況下存在一定誤差。綜上所述全工況下仿真結果與試驗結果的總體誤差范圍在5%以內，因此認為仿真得到的結果是有效的。

圖2 3種葉片形式水體圖

圖3 原型葉片實驗與仿真對比圖

2 不同葉片形式的水力性能分析

2.1 外特性結果對比分析

對3種形式葉片的外特性進行對比，揚程、效率與流量的關系如圖4所示。

圖4 3種葉片揚程與效率對比圖

圖4中YX為原型葉片，LQ為扭曲葉片，FL為分流式葉片。由圖4并聯與串聯工況下3種葉片揚程與效率對比圖可以得到，并聯工況下在小流量工況下扭曲葉片的揚程明顯大于原型和分流葉片，額定工況下都可以滿足80 m的要求，大流量工況下3種葉片形式揚程大小和規(guī)律基本持平，效率方面扭曲葉片形式也明顯高于其他兩種方案，分流葉片的效率要低很多，扭曲葉片的效率在額定工況下達到最大值且高效區(qū)范圍最大。串聯工況下扭曲葉片的揚程明顯大于其他兩種葉片形式，在小流量工況下高出5.5%，效率基本與原型葉片持平但在額定工況下最高。綜上所述，串并聯泵中扭曲葉片形式最優(yōu)原型圓柱葉片形式其次，最差的是分流葉片形式。

2.2 內流場分析

2.2.1 關鍵位置結構示意圖

由圖1可知串并聯泵結構復雜，影響性能的關鍵位置也很多，為了研究葉片形式對其的影響將著重觀察葉片、導葉和蝸殼這段的流場變化，關鍵位置結構如圖5。

圖5 截面位置結構示意圖

2.2.2 并聯工況的內部流場分析

由于并聯工況下首、次級葉片的工作狀態(tài)相似，采用流道管阻更小的次級葉片進行分析，比較分析不同葉片形式在工作中的流場分布狀況。

圖6為并聯工況下一個時刻次級葉片的中截面流線圖。可以看出葉片形式不同流線分布有很大的差異，原型葉片由于葉片較厚，流道較其他葉片窄，漩渦等不穩(wěn)定流動狀態(tài)主要出現在流道突然增大且與導葉發(fā)生沖擊的地方，扭曲型葉片流道較寬，在葉片背面前端也會產生一定面積的漩渦，但通過導葉的整流作用分離渦等得到明顯減小，由圖6可以觀察到在葉片轉動到與導葉一定相對位置的時候，分流式葉片的分流小葉片、主葉片與導葉形成了一個相對封閉的空間，不利于流體無法順利流出，產生了大量劇烈漩渦，所以效率及揚程較其他兩種低很多。

圖6 并聯工況中截面中截面流線圖

觀察圖7速度云圖發(fā)現3種葉片形式的中截面流場的速度從進口到出口逐漸增大，流體到葉片與導葉交匯處達到最大值，經過導葉的整流作用速度逐漸降低轉化成液體的壓能，有利于減少液體流動的損失，流道內相對速度的變化和壓力梯度的作用造成脫流和回流是形成漩渦的主要原因，原型葉片與分流式葉片流道內速度出現先增大后減小的現象，不利于內部流場的穩(wěn)定與能量轉化。扭曲型葉片形式的內流場流速隨進口到出口從葉片背面到工作面逐漸均勻增大，流場流動規(guī)律且穩(wěn)定。

蝸殼隔舌的存在加上葉片與導葉之間的動靜干涉改變著葉片流動的邊界條件，干擾葉片內部流動誘導漩渦、湍流、回流等不穩(wěn)定流動情況的產生，而湍動能是衡量湍流發(fā)展或衰退的重要指標?？梢詮膱D8湍動能分布圖上看到葉片將液體送入導葉入口時會出現高湍動能分布區(qū)，帶分流式葉片的葉片數最多，因此高湍動能分布區(qū)域明顯大于其他兩種方案，所以分流式葉片形式的效率揚程都明顯小于其他兩種方案。

圖7 并聯工況次級中截面速度云圖

2.2.3 串聯工況的內部流場分析

串并聯泵的串聯工況為了獲得更高的揚程，首次級壓力大小相差一倍，由于壓力的增高、流動速度的增大，兩級葉片和出口流動狀態(tài)存在差異，通過首次級的比較觀察分析葉片形式對泵內部流場的影響。由圖9分析可知，串聯工況下首次級葉片壓力分布規(guī)律相似，葉片流道內靜壓值總體規(guī)律從葉片進口到葉片出口逐漸增大，原型葉片進口流道較窄，在流道中流速增大過程中出現低壓區(qū)，容易造成汽蝕等不穩(wěn)定工況，分流式葉片由于葉片數較多，葉片與導葉之間的動靜干涉使得葉片出口和交界面部分區(qū)域壓力突然增高，影響內部流動穩(wěn)定性，水力特性最優(yōu)的扭曲葉片進口處低壓區(qū)最小，壓力分布最為均勻，壓力梯度較小，流道中的靜壓等值線呈現與葉片同心的圓弧，是最理想的狀態(tài)，說明葉片內流動平穩(wěn)，沒有漩渦回流等現象產生。

圖8 并聯工況次級導葉中截面湍動能分布圖

圖9 串聯工況中截面壓力分布圖

工作中流體通過葉片做工流入蝸殼，葉片出口處是流速較大且最大的靜壓出現的地方，并且此處流動狀態(tài)會發(fā)生很大改變容易造成大面積的不穩(wěn)定流動狀態(tài)。由圖10可以觀察到由于液體的黏度靠近壁面的位置都會出現層流區(qū)，該區(qū)域湍動能值較高。不同葉片形式的截面漩渦出現的位置存在差異。能夠明顯的觀測到串聯工況下首級扭曲葉片湍動能強度與分布面積最小，原型葉片次與分流式葉片相近。次級葉片出口處揚程和流速都高于首級，所以3種形式葉片次級葉片湍動能強度都高于首級，而扭曲葉片出口揚程又高與其他兩種形式，在靠近隔舌的位置出現了一定面積的流動紊亂，湍動能明顯增強?？傮w來看原型葉片與分流式葉片出口處流動規(guī)律相近，扭曲葉片優(yōu)與其他兩種形式，且流場狀態(tài)有明顯差異。

圖10 串聯工況葉片出口截面湍動能圖

3 不同葉片形式下串并聯泵壓力脈動特性的研究

3.1 壓力脈動時域分析

葉片旋轉流體不斷從葉片出口流入導葉、蝸殼，發(fā)生動靜干涉，流動狀態(tài)發(fā)生周期性的變化，介質隨著流動狀態(tài)的波動引起局部壓力隨著時間瞬間變化，會增大設備的噪音和振動，研究其特性是設備減振降噪的關鍵。

從圖11中不同葉片形式下的葉片出口壓力脈動時域圖可以看出3種形式出口處壓力值呈現比較穩(wěn)定的周期變化，并聯與串聯工況下相同葉片形式呈現出的脈動波形一致。葉片轉動一圈的時間內，出現的波動周期數量與葉片數相同，但大小和波形都存在明顯差異，說明葉片形式對泵內流場壓力脈動特性影響很大。首先扭曲葉片揚程較高，葉片出口位置的壓力均值明顯大于其他兩種形式，壓力波動幅度比原型葉片稍低。分流式葉片由于增加了分流葉片，葉片數多一倍，所以波峰的數量也多出一倍，壓力波動幅度明顯小于其他兩種形式。原型葉片出口處出現二次峰值，波動幅度最大，不利于設備的減振?？傮w來說增加分流葉片的分流式葉片壓力脈動特性最佳。為了更深入的了解幾組葉片形式下的壓力脈動特性，經過快速傅里葉變換將時域圖轉化為頻域圖如圖12所示。

圖11 葉片出口壓力脈動時域圖

圖12 葉片出口處壓力脈動頻域圖

3.2 壓力脈動頻域分析

為了消除靜壓值等其他因素的干擾引入無量綱壓力系數Cp。其中Cp的定義為：

(1)

本次討論的串并聯泵軸轉速n=2 900 r /min， 葉片的轉頻fn=n/60=48.33 Hz，3種葉片都是6個葉片，葉頻為6fn=290 Hz。 由圖12可知頻域的峰值均出現在整倍葉頻處， 且不同形式的葉片壓力脈動規(guī)律差異明顯。說明葉片形式是影響壓力脈動特性的重要因素，對于需要控制振動的流體機械改善葉片形狀或選擇相應的葉片形式非常重要。可以在頻域圖中看到葉片形式壓力脈動均以低頻脈動為主，扭曲葉片的主峰值出現在一倍葉頻處，而原型及分流式葉片分別在2倍葉頻處。

并聯工況下扭曲葉片的幅值最大，原型葉片在5倍葉頻時又出現的一個較高的峰值，分流式葉片波峰及幅度最小，對壓力脈動特性有明顯的改善。

串聯工況下，首次級葉片壓力脈動規(guī)律相近，次級葉片的壓力脈動的幅度大約是首級葉片及并聯工況下的兩倍，說明次級葉片的壓力脈動會受到首級的影響不斷累加。原型葉片峰值最多，幅度最大，扭曲葉片次之，分流式葉片對脈動特性改善極其明顯，大大優(yōu)于其他兩種形式的葉片。

4 結 語

(1)不同葉片形式對泵水力特性影響很大，扭曲葉片揚程最高，效率及內部流場穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其他形式的葉片。

(2)3種葉片形式出口壓力脈動規(guī)律差異明顯，分流式葉片壓力脈動峰值最少、幅值最低，對改善設備中流體的壓力脈動有明顯效果。

(3)根據不同葉片形式下串并聯泵的表現，發(fā)現首級與次級葉片內部流場與壓力脈動特性差異明顯且相互影響。

(4)本文設計的扭曲型葉片與分流式葉片對比原型葉片都有著明顯的優(yōu)勢，說明在串并聯泵中根據相應運行要求改善葉片形狀，選擇合適葉片形式對其影響很大，對以后串并聯泵的設計提供一定的參考。

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