離心泵隔舌區(qū)域壓力脈動(dòng)特性分析

程 偉，宋文武，萬 倫，晏 祝，侯 潔

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039)

壓力脈動(dòng)是由于泵內(nèi)部空間的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部流動(dòng)出現(xiàn)復(fù)雜的非定常特性，使泵不但產(chǎn)生靜態(tài)壓力而且還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力[1]。壓力脈動(dòng)的出現(xiàn)是一個(gè)不好的信號(hào)，設(shè)備的振動(dòng)和噪聲就是由于系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動(dòng)引起的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備[2]。

當(dāng)前，針對(duì)離心泵內(nèi)因流體誘發(fā)壓力脈動(dòng)的研究表明，離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)、徑向力與隔舌及隔舌與葉輪之間的間隙有關(guān)[3- 4]。竇唯等[5]分析了不同厚度隔舌對(duì)高速離心泵壓力脈動(dòng)的作用，推導(dǎo)出流體激振力的幅值與其隔舌厚度成正比。劉厚林等[5]對(duì)多級(jí)離心泵各級(jí)導(dǎo)葉流道內(nèi)壓力脈動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓力波動(dòng)幅值隨泵級(jí)數(shù)增加而降低。袁壽其等[13]則對(duì)隔舌形狀展開研究，對(duì)比了2個(gè)不同形狀的隔舌對(duì)離心泵性能的影響。王洋等[6]分析了離心泵內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)的原因，提出脈動(dòng)源主要是隔舌所產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。MAJIDI[7]通過模擬離心泵內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，葉輪和蝸殼的內(nèi)流場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的周期性。施衛(wèi)東等[8]的研究表明，離心泵性能與隔舌安放角有關(guān)，調(diào)整隔舌安放角更利于得出更優(yōu)的離心泵模型。

本文重點(diǎn)研究了離心泵在3種工況下的壓力脈動(dòng)特性，離心泵在0.8Q～1.2Q變流量工況下，葉輪內(nèi)部流體的流動(dòng)狀況，分析了導(dǎo)致離心泵壓力脈動(dòng)特性，旨在為離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行提供一定的建議與參考。

1 計(jì)算模型及數(shù)值求解方法

1.1 計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分

離心泵的模型參數(shù)為:流量Q=120 m3/h，揚(yáng)程H=40 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，葉輪的葉片數(shù)為6片。計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)口段、葉輪、蝸殼和出口段4個(gè)部分。

本文利用商業(yè)軟件ICEM對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了使進(jìn)入葉輪的流體更加合理，采用進(jìn)口延長(zhǎng)，同理蝸殼出口也進(jìn)行延長(zhǎng)處理。由于葉片扭曲度較高，所以采用加密非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪的網(wǎng)格單元數(shù)為2 270 000，蝸殼的網(wǎng)格單元數(shù)為1 020 000，整個(gè)水體模型總的網(wǎng)格單元數(shù)為4 440 000。網(wǎng)格無關(guān)性分析，取2 410 000與4 440 000網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比分析，離心泵的揚(yáng)程和效率穩(wěn)定在1.5%以內(nèi)。

圖1 網(wǎng)格劃分

為了監(jiān)測(cè)離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的情況，分別取監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，P2，P3，P4和P5。計(jì)算模型的隔舌位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

1.2 湍流模型與非定常模擬設(shè)置

由于計(jì)算流體為不可壓流體，所以采用雷諾平均動(dòng)量方程來描述流動(dòng)?？紤]旋轉(zhuǎn)與曲率影響，采用RNGk-ε湍流模型[9-10]。

非定常數(shù)值模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.011 49，經(jīng)過120個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，葉輪旋轉(zhuǎn)一周。

2 壓力脈動(dòng)特性分析

2.1 不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖分析

為了方便下面的闡述，這里定義壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp=(P-Pavg)/Pavg，其中P為靜壓，Pavg為靜壓平均值，Cp是指壓力脈動(dòng)振幅占靜壓平均值的比例。同時(shí)定義時(shí)間系數(shù)Cr=(t-tb)/(te-tb)，該周期內(nèi)壓力脈動(dòng)便用0～1的無量綱系數(shù)來表示，其中，tb為周期開始時(shí)刻的時(shí)間，te為周期結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間。

圖3所示為小流量(0.8Q)工況下，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。由圖3可知：P1處脈動(dòng)幅度最大，P2，P3，P4和P5處脈動(dòng)幅度相應(yīng)減弱。與圖4相比，P1點(diǎn)為脈動(dòng)最激烈處，其余各點(diǎn)相對(duì)較平穩(wěn)。泵內(nèi)湍流出現(xiàn)較強(qiáng)的不規(guī)則性，是由于離心泵處于小流量工況下引起的，表現(xiàn)為壓水室各截面出現(xiàn)較突兀的峰值，尤其體現(xiàn)在P1，P2及P5測(cè)點(diǎn)處，說明離心泵在小流量工況運(yùn)行時(shí)，壓力脈動(dòng)遞增明顯。

圖3 小流量工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域

圖4所示為設(shè)計(jì)工況(1.0Q)下，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。由圖4可知：脈動(dòng)周期性十分明顯；P1處的壓力脈動(dòng)最為強(qiáng)烈，P2～P5的壓力脈動(dòng)相應(yīng)減弱，而且在P3處最弱。壓力脈動(dòng)幅度差異的原因在于P1和P5點(diǎn)距離隔舌較近，受隔舌影響最大；P3點(diǎn)遠(yuǎn)離隔舌，使得該處壓力脈動(dòng)較小，同時(shí)兩者對(duì)比結(jié)果沒有差異，說明隔舌對(duì)該處的影響較小。除P3點(diǎn)外，其他4點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均不是對(duì)稱分布，原因是旋轉(zhuǎn)葉輪與蝸殼水流之間的動(dòng)靜干涉以及隔舌對(duì)流體的擾動(dòng)作用，使得蝸殼內(nèi)水流流動(dòng)呈明顯的不均勻性和三維紊流特征，且周期性波動(dòng)十分規(guī)律，致使壓水室內(nèi)流體呈漩渦流形態(tài)。

圖4 設(shè)計(jì)工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域

圖5所示為大流量工況(1.2Q)下，單由圖5可知，P1處壓力脈動(dòng)遠(yuǎn)大于其余各點(diǎn)脈動(dòng)幅值，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)幅值基本都處于較低水平，且各幅值偏離不大。舌蝸殼壓水室的某截面上壓力脈動(dòng)幅值出現(xiàn)瞬間的峰值，這是由于大流量對(duì)隔舌的沖擊振動(dòng)更強(qiáng)烈。壓水室各截面上的壓力脈動(dòng)幅值顯然降低，其中P3處壓力只有微弱降低。以上分析表明，在大流量工況下，隔舌能夠抑制壓水室各截面上的脈動(dòng)情況，故可以減緩由于偏離設(shè)計(jì)流量而帶來的壓力脈動(dòng)的銳增。

圖5 大流量工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域

2.2 不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖分析

圖6所示為對(duì)小流量工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖6可知：P1，P2和P3點(diǎn)主頻處脈動(dòng)幅度差異不大，P4點(diǎn)主頻處略小，P5點(diǎn)處脈動(dòng)比以上各點(diǎn)的都低。P1～P5點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率以1倍葉頻為主，高頻減少特別明顯。其原因是流體進(jìn)入壓水室后，流體的速度能逐漸轉(zhuǎn)化成壓力能，靜壓的增加使壓力脈動(dòng)持續(xù)上升，但雙隔舌的結(jié)構(gòu)卻能很好的對(duì)壓力脈動(dòng)削弱。以上分析表明，除因遠(yuǎn)離隔舌而壓力脈動(dòng)不明顯的P3點(diǎn)外，在小流量工況下也能較好地改善壓水室各截面的脈動(dòng)情況。

圖6 小流量工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域

圖7所示為對(duì)設(shè)計(jì)工況下5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖6可知：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻率都是1倍葉頻附近，與葉輪通過頻率基本一致；P1主頻是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處脈動(dòng)幅度最高處，其余點(diǎn)次之，P5最低。在P4和P5處壓力脈動(dòng)主要集中在低中頻附近。

圖7 小流量工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域

圖8所示為對(duì)大流量工況下5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過快速傅里葉變換得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖8可知：P1點(diǎn)主頻處脈動(dòng)幅值最大，P3，P4，P5點(diǎn)在主頻處的脈動(dòng)幅值基本處于同一水平，P2處脈動(dòng)幅值則處于相對(duì)較低值。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻都是1倍葉頻。P2點(diǎn)處時(shí)主頻也是1倍葉頻附近次主頻為2倍葉頻附近，高頻部分顯著增多；其原因在于：隨著流體流量增加，在葉輪經(jīng)過隔舌后，部分流體仍在葉輪內(nèi)不停循環(huán)，并造成回旋，與蝸殼周期性撞擊，即形成P2處高頻率的壓力脈動(dòng)。依上所述，在大流量工況下，隔舌對(duì)附近區(qū)域影響較為明顯。

圖8 小流量工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域

3 結(jié) 論

(1)受到隔舌影響流道內(nèi)各觀察點(diǎn)的壓力脈動(dòng)出現(xiàn)非常顯著的周期性，而且在0.8Q、1.0Q、1.2Q工況下的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻都是葉片通過頻率。

(2)隨著觀察點(diǎn)與隔舌周向距離變大，脈動(dòng)幅值逐漸減小，這時(shí)脈動(dòng)主要是葉片通過頻率，高頻脈動(dòng)成分較少。

(3)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜圖通過快速傅里葉變換方法得到，可以初步得到實(shí)際測(cè)量?jī)x器無法監(jiān)測(cè)到的部位(如葉輪流道、蝸殼等)的壓力脈動(dòng)特性，對(duì)于了解隔舌影響內(nèi)部流場(chǎng)壓力脈動(dòng)情況提供了有益的參考。

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