錢晨,楊從新

(蘭州理工大學能源與動力工程學院,730050,蘭州)

節(jié)段式多級泵結(jié)構(gòu)緊湊,各中段及導葉的形狀尺寸皆相同便于鑄造,因此被廣泛應用于石化、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。一般情況下,節(jié)段式多級泵的壓水室為導葉型。導葉型壓水室理論上徑向力較小,但由于出水段的存在,會產(chǎn)生一定的徑向力[1]。試驗發(fā)現(xiàn),葉輪與蝸殼之間的流體擾動是產(chǎn)生徑向力的主要因素之一[2],但通過試驗卻很難準確測量出由于轉(zhuǎn)子和定子動靜干涉引起的徑向力[3]。隨著計算流體力學技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬被認為是預測和分析多級泵的瞬態(tài)徑向力的可靠方法之一[4-10]。研究發(fā)現(xiàn),出流條件變化以及流動不對稱是產(chǎn)生徑向力的主要因素之一[4-9]。節(jié)段式多級泵由于末級導葉出口壓力較高,且受到葉輪和殼體結(jié)構(gòu)的影響,導致末級導葉流道較短,無法有效平衡徑向力[11],而出流壓力的非均勻性會產(chǎn)生較大的徑向力,從而導致泵軸產(chǎn)生較大撓度,直接影響泵的安全穩(wěn)定運行。

為解決以上問題,本文首先在多級末級導葉出口處安裝一個環(huán)形流道,即在周向均布徑向出流的圓柱型孔道,稱為出口壓蓋;之后以蘭州某公司助劑廠使用的多級泵為研究對象,研究不同工況下,出口壓蓋對多級泵徑向力的影響,揭示出口壓蓋對多級泵徑向力的影響規(guī)律。本文研究可為多級泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供一定的理論依據(jù)。

1 多級泵模型

在多級泵末級導葉出口處安裝的出口壓蓋如圖1所示。該結(jié)構(gòu)通過螺栓將中段和末級導葉固定在殼體上,承載部分高壓流體對殼體的沖擊力。徑向均布24個孔道,可重新分配高壓端出流液體壓力,進一步平衡徑向力。

1.1 設計參數(shù)

本文采用的多級泵為蘭州某公司助劑廠使用的高壓雙殼體11級泵P101A,該泵設計工況下的主要參數(shù)為:流量Q=128 m3/h;級數(shù)=11;單級揚程H=106 m;轉(zhuǎn)速n=2 986 r/min。

1:首級葉輪;2:次級葉輪;3:導葉;4:末級導葉;5:泵殼中段;6:出口壓蓋;7:平衡鼓;8:泵進口;9:泵出口圖2 P101A泵總裝圖

1.2 過流部件和參數(shù)

P101A泵的總裝圖如圖2所示,過流部件主要包括:首級葉輪、次級葉輪、導葉、末級導葉、吸水室、壓水室、平衡鼓等。P101A泵過流部件的主要參數(shù)如表1所示。

表1 P101A泵過流部件的主要參數(shù)

2 試驗裝置

在P101A泵的試驗臺進行試驗,試驗臺裝置如圖3a所示,試驗臺示意圖如圖3b所示。多級泵試驗臺是甲乙酮反應裝置的一部分,多級泵主要將回流罐中的液體輸送到填料塔進行氧化還原反應。試驗中分別采用電磁流量計測量流量,壓差傳感器測量多級泵進出口壓差,扭矩儀測量扭矩和轉(zhuǎn)速。

(a)試驗臺裝置

(b)試驗臺示意圖圖3 多級泵試驗臺裝置與示意圖

3 計算模型與試驗驗證

3.1 計算域和網(wǎng)格劃分

為了研究出口壓蓋對徑向力的影響,將計算域分為兩種。計算域1根據(jù)多級泵的幾何尺寸確定,由吸水室、首級葉輪、次級葉輪、導葉、末級導葉、出口壓蓋和壓水室組成,利用三維造型軟件Pro/E對多級泵進行幾何造型,并結(jié)合圖2將各流體域進行裝配。計算域2則是在計算域1的基礎(chǔ)上去掉出口壓蓋,使末級導葉與壓水室直接相連。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行多級泵全流道數(shù)值仿真,并對近壁區(qū)進行網(wǎng)格加密,近壁區(qū)y+(靠近壁面第一層網(wǎng)格的無量綱高度)小于5,圖4分別給出了首級葉輪、導葉、次級葉輪、末級導葉、出口壓蓋的網(wǎng)格圖。選擇效率作為準則來進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。當網(wǎng)格數(shù)從1 600萬增加到2 000萬時,多級泵效率絕對值增量小于0.01%,故采用1 600萬網(wǎng)格進行數(shù)值計算。

圖4 多級泵部分部件網(wǎng)格圖

3.2 數(shù)值計算方法及準確性驗證

剪切應力傳輸(shear stress transpot,SST)湍流模型實現(xiàn)了從邊界層內(nèi)部的κ-ω模型到邊界層外部的高雷諾數(shù)的κ-ω模型的逐漸過渡,在預測近壁面流動或存在逆壓梯度流動等方面具有較大優(yōu)勢[5-9],故本文選用SSTκ-ω湍流模型。采用CFD商業(yè)軟件來求解多級泵內(nèi)部流場,進口邊界為速度進口,假定來流方向垂直于入口截面,并設定來流速度的大小。出口邊界為自由出流,認為流動充分發(fā)展,固體壁面設定無滑移條件,在近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)修正湍流模型。計算時間步長設置為0.111 6 ms,對應葉輪旋轉(zhuǎn)2°,通過所設置監(jiān)控點變量的周期來判斷計算是否收斂。

多級泵模型的數(shù)值計算和試驗結(jié)果特性曲線如圖5所示,可以看出:二者的變化基本一致;揚程H、效率η、軸功率p的最大誤差分別為4.17%、2.81%和4.25%,均在允許范圍內(nèi)。由此可見,本文采用的數(shù)值計算方法可以較為準確地預測多級泵的水力性能,為分析多級泵的內(nèi)部流動提供依據(jù)。

圖5 數(shù)值計算與試驗結(jié)果特性曲線

4 結(jié)果與分析

4.1 流線分布

(a)0.5Q,無出口壓蓋 (b)1.0Q,無出口壓蓋 (c)1.5Q,無出口壓蓋

作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力主要取決于多級泵內(nèi)部的流動狀態(tài)[10,12-13]。不同流量下,末級導葉出口無出口壓蓋和有出口壓蓋時,末級葉輪中間截面上的速度流線圖如圖6所示。由圖6a～6c可以看出:當出口無出口壓蓋時,壓水室內(nèi)流線在不同流量下分布都較均勻,但導葉及葉輪內(nèi)存在明顯的旋渦區(qū),能量損失較大。由圖6d～6f可以得出如下結(jié)論:當出口有出口壓蓋時,導葉及葉輪內(nèi)速度分布情況明顯好轉(zhuǎn),流線分布較均勻;在1.5Q流量下,葉輪內(nèi)存在旋渦區(qū),旋渦主要發(fā)生在葉輪進口壓力面上,這是因為隨著流量的增大,上一級背導葉和葉輪的動靜干涉增強,故大流量下葉輪內(nèi)旋渦區(qū)明顯;不同流量下,出口壓蓋附近都有不同程度的旋渦產(chǎn)生,這是因為流體質(zhì)點從導葉進入出口壓蓋時,質(zhì)點受到壓蓋壁面的影響,使流體運動方向受阻,故壓蓋內(nèi)旋渦較多,且能量損失較大。綜合圖6可以說明,出口壓蓋的分流作用可以有效改善葉輪和導葉內(nèi)流線不均勻現(xiàn)象。這是因為出口壓蓋在徑向均布的出流小孔會減弱末級導葉的出流速度,避免高速流體直接與壓水室的低速流體接觸,減小壓差,減弱導葉出口的旋轉(zhuǎn)力矩,使導葉及葉輪內(nèi)速度分布更均勻。

(d)0.5Q,有出口壓蓋 (e)1.0Q,有出口壓蓋 (f)1.5Q,有出口壓蓋圖6 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪中間截面上的流速流線圖

4.2 末級葉輪葉片上的荷載分布規(guī)律

由于多級泵末級葉輪內(nèi)流體壓力較高,葉輪葉片上的壓差大小和分布對徑向力影響較大,為了研究末級葉輪葉片上的荷載分布情況,使末級葉輪中心截面與末級葉輪葉片壓力面和吸力面形成交線,通過數(shù)值計算可以得到此交線沿葉輪徑向的靜壓力分布。不同流量下末級葉輪的葉片壓力面和吸力面靜壓力分布如圖7所示,從中可以得出如下結(jié)論:從葉輪進口到出口,壓力面和吸力面靜壓力的總體趨勢為逐漸增大,且隨著流量的增加,葉片靜壓增大;當出口無出口壓蓋時,小流量和設計流量下,葉輪出口邊出現(xiàn)壓力面靜壓力小于吸力面靜壓力的情況,這主要是由于導葉與葉輪之間的動靜干涉作用使葉

(a)0.5Q(b)1.0Q(c)1.5Q圖8 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪的葉片荷載分布

輪出口處的壓力分布發(fā)生了變化;當出口有出口壓蓋時,葉輪的壓力分布比較均勻,且壓力面的壓力始終大于吸力面的壓力,說明出口壓蓋可以使葉輪內(nèi)壓力分布更均勻;在大流量下,無論出口有無出口壓蓋,葉輪出口處壓力面的靜壓力都出現(xiàn)較大波動,這主要是因為當流量增大時,流體內(nèi)的動量交換會隨著主流速度的增加而增大,葉輪出口的速度梯度增加,黏性阻力增大,壓力面上的減速力矩會因?qū)~和葉輪的動靜干涉作用發(fā)生變化,從而使壓力出現(xiàn)波動。

(a)0.5Q(b)1.0Q(c)1.5Q圖7 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪的葉片壓力面和吸力面靜壓力分布

圖8為末級葉輪葉片荷載分布,從中可以得出如下結(jié)論:在小流量和設計下,從葉輪進口到出口,葉片荷載的總體變化趨勢是先增大后減小,葉輪出口處荷載較小,葉輪內(nèi)部中間區(qū)域葉片荷載較大;在大流量下,葉片荷載在葉輪半徑R=7.5 cm和R=12.0 cm附近有波動,2處葉片荷載均為先急劇增大后減小的趨勢,葉片荷載波動較明顯;綜合比較3個工況,與無出口壓蓋相比,有出口壓蓋的葉輪平均葉片荷載分別減小了14.9%、15.1%和13.6%,且葉片荷載更為均勻,說明添加出口壓蓋可以有效改善葉輪內(nèi)的壓力分布。

4.3 葉輪徑向力的數(shù)值分析

4.3.1 葉輪徑向力矢量分析 采用壓力合成法[14-16]分別對不同流量下,有無出口壓蓋的末級葉輪和整個葉輪進行徑向力分析,矢量圖如圖9和圖10所示,Fx和Fy分別為x向分力和y向分力。分析圖9可知:一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),徑向力矢量的大小和方向均發(fā)生變化,末級葉輪徑向力在直角坐標4個象限內(nèi)均有分布,且沿坐標原點周期性變化;不同流量下,無論出口有無出口壓蓋,末級葉輪上始終存在徑向力,且徑向力幅度隨著流量的增加而增加,這是由于在小流量時,導葉及壓水室內(nèi)壓力較低,由于壓力不對稱產(chǎn)生的徑向力較小,隨著流量的增大,導葉及壓水室內(nèi)的壓力增加,徑向力增大;添加出口壓蓋后,末級葉輪徑向力明顯減小,矢量分布也更加均勻,這是因為出口壓蓋可將壓力重新分配,減小由于壓力分布不均產(chǎn)生的壓差,從而減小徑向力。分析圖10可知:隨著流量的增大,整個葉輪所受的徑向力矢量也增大;在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)徑向力矢量在直角坐標系4個象限內(nèi)均有分布,與末級葉輪分布不同,坐標原點附近也有分布,這是因為受到正反導葉的影響,單級葉輪受力不同,因而整個葉輪徑向力矢量分布不均勻;當出口無出口壓蓋時,整個葉輪徑向力矢量主要分布在2、4象限,徑向力幅值較大;當出口有出口壓蓋時,徑向力矢量在4個象限內(nèi)均有分布,徑向力幅值減小。

(a)0.5Q(b)1.0Q(c)1.5Q圖9 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪的徑向力矢量圖

(a)0.5Q(b)1.0Q(c)1.5Q圖10 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時整個葉輪的徑向力矢量圖

4.3.2 葉輪徑向力時域分析 不同流量下,有無出口壓蓋的末級葉輪和整個葉輪內(nèi)瞬時徑向力時域圖如圖11所示。由圖11a和11b可以分析得出:流量越大,末級葉輪瞬時徑向力越大,且徑向力呈周期性變化;末級導葉葉片數(shù)為10,一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),有10個波動周期,說明徑向力波動周期與末級導葉葉片數(shù)相同;末級葉輪這種周期性變化與葉輪出流條件有關(guān),葉輪出口處壓力分布不均是徑向力產(chǎn)生的主要原因,導葉在圓周方向上軸對稱分布,能夠?qū)α黧w起到導流作用,使葉輪出流更均勻,從而起到減小徑向力的作用。由圖11c和11d可以分析得出:與末級葉輪不同,整個葉輪一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)有6個波動周期,與正導葉數(shù)目相同,這是因為前10級葉輪是通過正導葉平衡徑向力,故整個葉輪的徑向力周期性與正導葉數(shù)目有關(guān);葉輪的徑向力時域圖并不均勻,周期性較差,這主要是因為多級泵級數(shù)較多,葉輪之間受力不同,互相干擾,因此引起該現(xiàn)象。

末級葉輪和整個葉輪的瞬時徑向力最大波動幅值如表2所示。結(jié)合圖11和表2可以看出:添加出口壓蓋后,末級葉輪和整個葉輪的徑向力在時域上大大減小;當流量分別為0.5Q、1.0Q和1.5Q時,末級葉輪添加出口壓蓋最大徑向力波動幅值分別是無出口壓蓋的0.875倍、0.67倍和0.95倍,整個葉輪添加出口壓蓋最大徑向力波動幅值分別是無出口壓蓋的0.513倍、0.72倍和0.73倍。上述分析表明:添加出口壓蓋可以降低葉輪所受徑向力,且隨著流量的增大,徑向力減小幅值呈遞減趨勢。

4.3.3 葉輪徑向力頻域分析 對圖11的徑向力時域進行傅里葉變換,得到末級葉輪和整個葉輪所受徑向力的頻域圖,如圖12所示。末級葉輪及整個葉輪的徑向力主頻幅值如表3所示。由圖12可以分析得出:末級葉輪及整個葉輪主頻幅值與葉輪葉片頻率相同,均為298 Hz,說明干涉頻率主要是由葉片通過頻率決定的;隨著流量的增大,主頻幅值增大。由表3可以看出:當流量分別為0.5Q、1.0Q和1.5Q時,添加出口壓蓋的末級葉輪徑向力主頻幅值分別是無出口壓蓋的0.76倍、0.86倍和0.79倍,添加出口壓蓋的整個葉輪徑向力的主頻幅值分別是無出口壓蓋的0.59倍、0.63倍和0.67倍。這說明,在末級導葉添加出口壓蓋可以有效減小多級泵的振動,有利于提高泵的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

表2 末級葉輪和整個葉輪的瞬時徑向力最大波動幅值

(a)末級葉輪無出口壓蓋

(b)末級葉輪有出口壓蓋

(c)整個葉輪無出口壓蓋

(d)整個葉輪有出口壓蓋圖11 不同流量下無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪和整個葉輪的徑向力時域圖

(a)末級葉輪徑向力

(b)整個葉輪徑向力圖12 不同流量下,無出口壓蓋和有出口壓蓋時末級葉輪和整個葉輪的徑向力頻域圖

工況流量徑向力主頻幅值/N0.5Q35.76末級葉輪無出口壓蓋1.0Q40.521.5Q100.390.5Q27.19末級葉輪有出口壓蓋1.0Q35.001.5Q79.270.5Q469.71整個葉輪無出口壓蓋1.0Q958.661.5Q1 358.770.5Q279.02整個葉輪有出口壓蓋1.0Q607.481.5Q906.99

4.4 效率對比

圖13為不同工況下,有、無出口壓蓋時的效率η對比圖,可以分析得出:在小流量和大流量下,與無出口壓蓋相比,有出口壓蓋的多級泵效率較低,這是因為偏離設計工況時,壓蓋附近的旋渦較多,能量損失較大;在設計工況點附近,有出口壓蓋的效率高于無出口壓蓋的效率,且在設計工況點效率提高了5.6%,說明在設計工況附近,出口壓蓋可以有效提高多級泵的效率。

圖13 不同流量下末級導葉出口無出口壓蓋和 有出口壓蓋時的效率對比

5 結(jié) 論

(1)當末級導葉無出口壓蓋時,末級葉輪內(nèi)和末級導葉內(nèi)速度流線分布不均勻,流線紊亂,葉片出口壓力面區(qū)域旋渦區(qū)較多。添加出口壓蓋后,小流量下末級葉輪內(nèi)流線分布情況得到明顯改善,不同流量下末級導葉流道內(nèi)的旋渦區(qū)明顯減少,說明出口壓蓋對出口流量重新分布,使末級葉輪出口及末級導葉速度分布更均勻。

(2)不同流量下,末級葉輪葉片所受荷載隨流量的增大而增大。小流量和設計流量時,葉片荷載曲線較為平坦,大流量時,葉片荷載波動較為明顯。與無出口壓蓋相比,添加出口壓蓋后末級葉輪使平均葉片荷載明顯減小,且葉片荷載分布更均勻,說明添加出口壓蓋可以有效改善葉輪內(nèi)壓力分布。

(3)與無出口壓蓋相比,添加出口壓蓋后末級葉輪和整個葉輪的徑向力明顯減小,最大徑向力明顯降低,徑向力矢量分布更均勻,主頻幅值減小,高頻脈動較少。1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),末級葉輪的波動個數(shù)與末級導葉葉片數(shù)(即反導葉)相同,整個葉輪的波動個數(shù)與正導葉葉片數(shù)相同。

(4)與無出口壓蓋相比,添加出口壓蓋后多級泵在設計工況點附近的效率明顯提高,但在小流量和大流量工況點,由于出口壓蓋附近旋渦增多,效率明顯降低。