李 帥

（中國石油大慶石化分公司煉油廠，黑龍江大慶 163000）

1 研究背景

離心泵被廣泛用于各種送水設(shè)備中，由于葉頂間隙的存在，離心泵產(chǎn)生泄漏流不可避免，泄漏流的大小將直接影響離心泵的揚程和輸送效率，還會引起運行振動的增加，對系統(tǒng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為了減弱泄漏流導(dǎo)致的振動對系統(tǒng)的影響，有必要對各種工況下泄漏渦的結(jié)構(gòu)特性和軌跡進行研究，確定離心泵的最佳工作區(qū)間。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，葉頂間隙是造成泄漏渦的主要原因，不僅影響系統(tǒng)安全，還會降低設(shè)備性能，但我國關(guān)于泄漏渦的專項研究開展的較少，流量與泄漏渦之間的關(guān)系還有待進一步探索。本文對不同工況下流量、泄漏渦、泄漏流三者間的關(guān)系進行研究，探索泄漏渦的產(chǎn)生原因和變化情況，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)改進泄漏渦軌跡的預(yù)測模型。

2 計算模型和數(shù)值方法

2.1 計算模型

本次研究所采用的離心泵主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要部件有進口管、半開式葉輪和無葉擴壓器等，其葉頂間隙為1 mm。

圖1 試驗泵

2.2 試驗系統(tǒng)

本次研究在水利閉式實驗臺上進行，實驗臺各項數(shù)據(jù)的測量誤差為±1.50%，試驗臺的結(jié)構(gòu)原理見圖2。在水流進出口采用高精度壓力傳感器對水壓進行測量，沿圓周方向均勻分布4 個測壓孔，將壓力平均值作為最終測量結(jié)果。電磁流量計用來測量水路的流量，水泵與電機之間安置扭矩轉(zhuǎn)速儀，實時測量扭矩。采用變頻器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，保證轉(zhuǎn)速達到各種工況下水泵的運行要求。

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)值計算方法

數(shù)據(jù)的計算和分析基于ANSYS CFX 有限元分析軟件進行，采取標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)計算公式計算流體信息，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型預(yù)測流體的流動，這一模型在水利輸送實驗中具有很好的適應(yīng)性，預(yù)測結(jié)果能夠滿足試驗要求，對葉頂泄漏渦的軌跡預(yù)測能夠達到一定精度。進口與出口均按照質(zhì)量流量計算，邊界條件設(shè)置為無滑移壁面，旋轉(zhuǎn)與固定部件的邊界條件設(shè)置為剛性體。

2.4 網(wǎng)格劃分

為了兼顧計算準(zhǔn)確性與計算效率，本次有限元分析中過流部件的選擇六面體網(wǎng)格，葉片選擇O 形網(wǎng)格，這次計算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于間隙層的計算，需要在間隙層設(shè)置20 個網(wǎng)格節(jié)點。葉輪作為本次計算的主要部件，將其網(wǎng)格數(shù)劃分為610萬，進口管和無葉擴壓器作為本次計算的次要部件，網(wǎng)格數(shù)劃分為59 萬和62 萬。為了達到湍流模型的需要，將葉片壁面y+設(shè)置為2.8。各部件網(wǎng)格劃分完成后的有限元模型如圖3 所示。

圖3 離心泵網(wǎng)格

3 計算結(jié)果分析

圖4 為0.93 葉高時的旋渦強度分布，通過漩渦的強度能夠識別其軌跡，但軌跡曲線難以辨認(rèn)，圖中紅色部分為漩渦的主要區(qū)域，假如圖中直線部分為其軌跡，將其方向用黑色箭頭標(biāo)出，葉片用紅色直線標(biāo)出，二者之間的夾角為漏角α。這時在不同工況下其夾角的數(shù)值發(fā)生很大變化，高負(fù)荷工況下夾角大小為13.8°，隨著負(fù)荷的降低，葉片流經(jīng)的流量減小，旋渦軌跡向鄰近葉片的流動趨勢加大，發(fā)生漩渦的位置更早，當(dāng)流量達到設(shè)計工況時，漏角α 為26.1°，在葉片進口處即產(chǎn)生旋渦。流量進一步降低后，漏角α 持續(xù)增大，最大值可達到35.7°，這時除了在葉片吸力面產(chǎn)生漩渦外，還產(chǎn)生了二次或三次漩渦，主要集中于區(qū)域A。這是因為葉片前端的溢流會形成高壓區(qū)B、產(chǎn)生高強度漩渦區(qū)C，前端溢流與泄漏渦共同作用產(chǎn)生了回流渦。

圖4 葉尖泄漏流93%葉高旋渦強度分布

圖5 與圖6 顯示了該離心泵的EPR 分布，紅色區(qū)域為泄漏渦的作用區(qū)域，藍色區(qū)域為不受泄漏渦影響的區(qū)域。由圖可知，紅色區(qū)域主要分布在兩個范圍內(nèi)，一是葉頂間隙處，這里的水流受較大的壓差作用產(chǎn)生泄漏流，如圖5 與圖6 中葉頂間隙處產(chǎn)生了極強的旋渦；二是泄漏流在流道內(nèi)與主流共同作用形成泄漏渦，這也是受到葉頂間隙處泄漏渦的影響，是水流的能量向后擴散造成的，進而影響到流道內(nèi)部，在大流量工況下這種現(xiàn)象更加明顯。這時泄漏渦的能量明顯增強，但能量更加密集，葉頂間隙處的泄漏，影響面積變小，當(dāng)系統(tǒng)流量降低時，葉頂間隙處的泄漏渦與流道的泄漏渦位置分離，雖然能量有所降低，但影響面積變大。

圖5 葉輪軸面EPR 分布

圖6 93%葉高EPR 分布

4 結(jié)論

本文研究了不同工況下離心泵葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)特性，通過對泄漏渦的位置和軌跡進行分析，得出下列結(jié)論。

（1）大流量工況下，不僅在葉頂間隙處會形成泄漏流，而且葉片尾緣處的泄漏流可以穿過相鄰葉片間隙再次形成泄漏流，起到加強泄漏流的作用。小流量工況下，泄漏渦的形成機理較為復(fù)雜，泄漏渦呈現(xiàn)向外擴散的趨勢，直至達到相鄰葉片進口處才會破碎，形成溢流，進而引發(fā)通道渦和回流渦。

（2）葉頂泄漏流的出現(xiàn)與葉頂間隙有直接關(guān)系，在葉片后方形成泄漏渦，小流量工況下葉片邊緣處的水流產(chǎn)生回流現(xiàn)象，回流與溢流同時存在，大流量工況下泄漏渦引起的泄漏流會流經(jīng)后一片葉片的葉頂間隙，形成二次甚至三次泄漏流。

（3）偏離設(shè)計工況時葉輪內(nèi)部水流能量發(fā)生改變，大流量工況下，泄漏流的能量密度集中，流速增大，但泄漏流與主泄漏渦區(qū)域相重合，影響面積變小，發(fā)生區(qū)域位于遠(yuǎn)離葉片頂端的地方。小流量工況下，泄漏流的能量密度變小，流速降低，泄漏流與主泄漏渦區(qū)域分開，影響面積變大，發(fā)生區(qū)域位于臨近葉片頂端的地方與回流密集區(qū)域。

（4）改進后的模型精確的設(shè)置了葉頂間隙處的流速，考慮工況變化情況對流速的影響，優(yōu)化了原模型使用平均速度進行計算的結(jié)果，通過加入速度比值進一步提高了系統(tǒng)精度，增加了預(yù)測范圍。這表明改進后的模型在預(yù)測精度與預(yù)測范圍方面全部優(yōu)于原模型，可以對泄漏渦的形成和軌跡進行精確預(yù)測。