超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究_方铭坤.pdf

超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究方铭坤，刘竹青（中国农业大学水利与土木工程学院，北京）摘 要 超低比转速离心泵内部非定常流场导致的压力脉动问题是影响其安全稳定运行的重要因素。本文研究了“”型叶片超低比转速离心泵内压力脉动的分布特征及其对安全稳定运行的改善效果，采用 湍流模型，对“”型叶片和直叶片两种形式分别进行定常以及非定常数值模拟，得到泵内叶轮叶片及隔舌处的压力脉动特征，并进行时域及频域分析。结果表明：直叶片小流量工况下压力脉动幅值最小，而“”型叶片在额定工况压力脉动幅值最小；两种叶轮均以叶片通过频率为主，低频特征明显。“”型叶片叶轮在.（为设计流量）、.、.、.四种工况下叶轮出口及隔舌处监测点压力脉动幅值均有不同程度的下降，下降幅度达 ，说明与直叶片相比，采用“”型叶片能有效降低超低比转速离心泵的压力脉动幅值，提高超低比转速离心泵运行稳定性。关键词 超低比转速离心泵；压力脉动；非定常流场；叶轮形式中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，）：，“”，“”，“”“”，“”：；基金项目：国家自然科学基金（）前言超低比转速离心泵是离心泵中一种比较特殊的泵型，一般认为，比转速低于 的离心泵为超低比转速离心泵。由于超低比转速离心泵具有流量小、扬程高等特点，在石油化工、航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景，除此之外，其在高层楼房供水、压力锅炉供水、净水系统和医疗卫生等与人们生活息息.大 电 机 技 术相关的领域也有着广泛的应用。离心泵中的压力脉动现象是指泵内压力分布不均，有集中或者较大的压力作用于某部位，单次持续时间不长，且具有一定的周期性。一直以来，由压力脉动引起的离心泵性能下降、泵体振动严重、噪声危害等问题一直是工程实践以及科学研究的重点。对于超低比转速离心泵来说，压力脉动较强的主要原因有两个：一是由于超低比转速离心泵叶轮具有出口宽度较小、叶轮流道狭长等特点，导致其叶轮圆盘摩擦损失占总损失的比重较高，加剧运行不稳定性；二是由于其运行流量较小、内部流态复杂，存在叶轮进口回流、叶轮流道内的二次流和叶轮出口的反向流等非定常流动现象，使得泵内压力脉动较为强烈，增加了水力损失，严重时会损坏水泵系统设备，影响机组运行稳定性。因此，研究泵内压力脉动情况有助于解决泵体振动及噪声等问题，通过对超低比转速离心泵的设计改型，以期达到降低超低比转速离心泵压力脉动的目的。国内外针对离心泵压力脉动特性有较广泛的研究。丛国辉等采用大涡模拟和滑移网格技术，对某双吸离心泵进行不同工况下三维非定常湍流数值模拟，结果表明：叶轮和隔舌处的动静干涉作用是产生压力脉动的主要原因，并且小流量工况下不稳定性较强。周林玉的研究结果得到了相似的结论，其采用大涡模拟和滑移网格技术分析了偏离工况下叶轮与蜗壳动静干涉处的压力脉动，分析结果表明：泵内压力脉动主频多数为叶片通过频率，在各个工况下叶轮出口压力脉动幅值均最大，小流量偏离工况下，脉动主频不再是通过频率，频谱宽度明显增大。等采用数值模拟和试验结合的方法，分析了不同流量下分流叶片对低比转速泵性能和压力脉动的影响，结果表明：与无分流叶片的原型和分流叶片方案相比，当分流叶片向主叶片吸力侧偏转时，模型泵不同监测点的最大压力脉动幅值最低，提出的一种带分流叶片叶轮方案，可有效降低主流压力脉动幅度。等运用数值模拟与试验相结合的方法研究了离心泵内部的压力脉动情况，结果表明将监测点设置在壁面处可以更有效地反映泵内压力脉动的情况。等应用实验方法研究了离心泵非定常流动和噪声之间的关系，结果表明叶轮内流体会从叶片的压力侧流向吸力侧，从而形成径向移动涡旋，造成泵内压力不稳定。国内外对离心泵内部非定常流动压力脉动特性研究已有较为成熟的理论体系，但是对于超低比转速离心泵内部压力脉动情况研究较少。本文以直叶片叶轮和“”型叶片叶轮超低比转速离心泵为研究对象，研究“”型叶片叶轮对超低比转速离心泵内部流动改善及压力脉动特性的影响，为改善超低比转速离心泵振动特性提供参考。数值计算模型及方法.实体模型本文所采用的计算模型如图 所示，由进口段、叶轮以及蜗壳三部分构成，蜗壳采用低膨胀率设计以减小水头损失；“”型叶片叶轮由 个长叶片和 个短叶片构成。图 计算模型超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.原型直叶片泵主要设计参数见表，原型“”型叶片主要设计参数见表，其中，比转速计算公式为：.（）其中，为额定转速，为额定扬程。表 直叶片泵主要设计参数参数单位数值叶片数 比转速.额定转速 设计流量 .设计扬程.叶轮进口直径 叶轮出口直径 叶片进口安放角 叶片出口安放角 表“”型叶片泵主要设计参数参数单位数值叶片数 比转速.额定转速 叶轮进口直径 叶轮出口直径 叶片进口安放角 叶片出口安放角.数学模型超低比转速离心泵内部流动流量较小，在运行过程中会伴随复杂的流动现象，包括叶片进口的流动分离、流道内部的回流、二次流、叶轮出口的反向流和漩涡等。因此本文采用 模型对泵内部进行非定常模拟，该模型可以精确计算动静交界面及近壁区的复杂流动，实现 模型和 之间的转化，其在壁面处理方面更有优势，适用于进行流体机械湍流模拟分析，具体方程如下：（）（）（）（）式中，为流体密度，；为湍动能；为时间，；为时均速度；为湍流黏度；为由于黏性力引起的湍流生产项；为经验系数，取.；为湍流频率。式中 和 取值范围为，。（）（）（）（）（）其中：（，）（）（）由于（）式和（）式是通过混合函数将 模型与标准 模型结合在一起的，因此，式中带有下标 的各个常数按下式计算：（）（）式中，为 模型常数；为标准模型 常数；为混合函数，在近壁处 ，意味着这个区域使用 模型，在远离壁面处，意味着这个区域使用标准 模型。的表达式为：（）（），（），（）式中，为计算点到壁面的距离，；为湍流比耗散率项。也是混合函数，其功能与 类似，在边界层内为，在剪切层为：（）（），（）上述各式中：；.；常取.；.；.；为经验系数，取.，.；.；.；为经验系数，取.。.网格划分及网格无关性检验本文采用商用网格划分软件，对全模型采用适应性较强的四面体非结构网格划分。为了保证数值模拟的准确性，对计算域划分得到三套网格，网格数分别为，基于理查德外推法（）进行网格收敛指数的计算，如图 所示，选择扬程 作为关键物理量。其中“”型叶片叶轮流域总网格数，分别为、，细化因子 为.，为.，精细网格的 值为.，粗网格的 值为.，均满足收.大 电 机 技 术敛要求。考虑到计算资源以及网格收敛性指数，选择第二套网格即网格数为 为计算网格。其网格分布如图 所示。图 基于理查德森外推法的 网格检查图 计算网格.数值模拟计算设置流体域进口为质量流量进口，出口相对压力设为，壁面条件采用无滑移壁面；以.、.、.、.四个工况的定常计算结果作为非定常计算的初始条件。进行非定常瞬态计算时，在坐标系变换 的 改为瞬态冻结转子（），其余设置均与定常计算的设置相同。叶轮每旋转计算一步，即将每个旋转周期分为 个时间步，每个时间步长为.，设置 个计算周期，待计算结果稳定后，选取后五个计算周期的计算数据进行压力脉动特性分析。.监测点设置为了充分了解叶轮蜗壳动静交界面及隔舌处的压力脉动变化规律，在叶轮蜗壳交界面 个流道的中间部位各设置一个监测点，编号为 ，蜗壳隔舌处设置一个监测点，命名为，共 个监测点，两种叶片监测点设置情况均相同，具体分布如图 所示。图 监测点分布 计算结果及分析.外特性对比分析通过对两种叶片扬程和效率的模拟，在.工况范围，每隔.设置一个计算，得到两种叶片的外特性曲线图，如图 所示。通过分析可以看出：直叶片扬程随流量先上升、后下降，扬程最高点出现在.附近，实验测得直叶片额定工况扬程为.，效率为，对比直叶片额定工况点的数值发现，模拟扬程和效率较实验结果均有提高，这是由于数值模拟是在理想状态下运行，未考虑各种损失；改进后的“”型叶片扬程变化趋势与直叶片基超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.本一致，扬程最高点出现在.附近；改进后的“”型叶片无法提供较大的扬程，在泵内部压力脉动特性得到改善的基础上扬程下降 左右。两种叶片扬程随流量变化幅度并不明显，这是由于叶轮出口为径向出流，理论扬程接近一条直线。效率随流量的增大逐渐升高，改进的“”型叶片效率上升 左右。图 外特性曲线.泵内总压分析不同工况下直叶片叶轮内部压力分布如图 所示，其中，为总压值。从中可以看出：不同工况下叶轮内压力分布规律基本一致，叶片进口处存在较大的低压区，从叶片进口到叶片出口压力逐渐升高，在.和.叶片出口两侧均存在一个三角形区域的高压区，且压力侧大于吸力侧；额定工况下低压区更为明显，部分低压区向离出口最近的流道内部延伸。图 为改进后的“”型复合叶轮不同工况下压力分布情况，从图中可以看出：从叶轮进口到出口，压力逐渐升高，叶轮进口处低压区分布较为稳定，高压区存在于叶轮出口与蜗壳的动静交界面处，且.工况下面积最大。对两种叶片形式的压力分布进行对比分析，可以看出，改进后的“”型复合叶轮较直叶片叶轮低压区有较好的改善，且最高压力的数值也有所下降，因此“”型叶片压力分布更加均匀。图 不同工况直叶片内部压力分布.压力脉动分析在得到非定常计算结果后，提取后五个计算周期的压力脉动数据，由于数据量较大，最终提取 步的计算结果进行分析。为了在结果分析中，以水泵进口压力为 作为压力参考，因此首先在 中读取各个工况进口总压，在工作表中将所有压力脉动数据减去泵进口压力，得到的压力即为泵内实际压力，并将此值用于压力脉动时域分析。对水泵进口压力为 作为参考得到的压力值做平均处理，然后减去平均压力值，得到归零化的压力值，归零化的压力值用于压力脉动频域分析，从而获取压力脉动幅值和频率。为简化分析过程，基于相邻监测点.大 电 机 技 术结果较相似，因此，对叶轮出口 个点每隔一个监测点进行分析，分别为、，隔舌处选取 监测点进行分析。图 不同工况“”型叶片内部压力分布.泵出口及隔舌压力脉动时域分析图 为不同工况下直叶片叶轮出口 个监测点及蜗壳隔舌处监测点的压力脉动时域图，横坐标为叶轮转过的时间，纵坐标为压力脉动数值的大小。从图中可以看出，不同工况下各监测点压力脉动具有较强的规律性，叶轮出口各监测点，在一个旋转周期内均存在一个峰值；离隔舌最近的 压力脉动幅值较大，和 脉动幅值差别不大，距离隔舌较远的 压力脉动幅值明显较小，而隔舌处的 的压力脉动幅值要明显大于叶轮出口各监测点，原因是蜗壳隔舌处存在较强的动静干涉作用，使得其附近各点的压力脉动幅值较大。图 不同工况下直叶片各监测点压力脉动频域图图 为改进后的“”型叶片叶轮出口各监测点及蜗壳隔舌处监测点的压力脉动时域图，从图中可以看出各点压力脉动变化规律性较强，波动性较直叶片更加均匀，这是由于“”型叶片改善了叶轮内部压力分布集中的问题，压力脉动较为稳定。而压力脉动幅值大幅下降，其中在额定工况点，监测点 压力脉动幅值下降 ，隔舌处压力脉动最大幅值从.降低到.，降低了 左右。在.工况，点幅值下降 ；.工况，压力脉动幅值下降 ，其余工况下压力脉动幅值变化基本一致，下降 ；说超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.明通过“”型叶片的设计能有效降低超低比转速离心泵的压力脉动幅值。图 不同工况下“”型叶片各监测点压力脉动频域图.及隔舌处压力脉动时域分析选取叶轮出口具有代表性的 和隔舌处的 进行各工况压力脉动进行频域对比分析，通过图 和图 可以看出，直叶片和“”型叶片在各个工况下的压力脉动变化具有一定的周期性，在一个旋转周期内均出现 个峰值，波峰数目刚好与叶轮叶片数相等，直叶片在通过隔舌处有一较大峰值，其余均为较小的波峰，而“”型叶片在一个旋转周期内具有 个较大波峰和 个较小波峰，对应着长短叶片分别通过监测点，因此可以说明压力脉动的周期频率与叶片数相关，当叶轮叶片每扫略过监测点便会出现一个波峰。对比不同工况下压力脉动变化规律可以看出，直叶片叶轮在小流量工况下压力脉动强度较小，随着流量的增加压力脉动幅值逐渐增大。改进后的“”型叶片相比于直叶片，在各个工况下压力脉动分布规律基本一致，波动范围较为稳定，压力脉动最大幅值也有所下降，其中，压力脉动最大幅值下降.，压力脉动最大幅值下降.。对比不同工况下叶轮出口 的压力脉动频域可以看出，直叶片在小流量工况下脉动强度最小，其余三个工况差别不大；而“”型叶片在小流量工况下脉动强度高于其他三个工况，额定工况下脉动幅值最小，这与直叶片模拟结果刚好相反。对比隔舌处 的压力脉动时域图可以得到相似的结论。因此可以看出，直叶片在小流量工况下运行更加稳定，改进后的“”型叶片适合在额定工况附近运行。图 不同工况下 压力脉动时域图.大 电 机 技 术图 不同工况下 压力脉动时域图.隔舌处压力脉动频域分析通过快速傅里叶变换得到各监测点压力脉动频域图，其中转频.，叶片通过频率为 倍的转频，为。图 为直叶片和“”型叶片隔舌处压力脉动频域图，轴为转动频率，轴为振幅，轴为各工况。从图中可以看出：直叶片压力脉动主频为轴频，其余各峰值均集中在叶频的整数倍区域，且低频压力脉动占主导地位。改进后的“”型叶片主频为 倍左右的转频，略大于叶频，其余各峰值均为轴频的整数倍。直叶片.工况下流动不稳定性较强，振幅最大，随着流量的增大，振幅逐渐减小，小流量工况下，叶轮出口液流与隔舌处流动出现较大的偏移速度，使每个叶片出口存在较大速度梯度，其通过隔舌处时会引起较大的压力脉动。“”型叶片在小流量工况下脉动振幅较小，随着流量的增大振幅逐渐增大，这与直叶片模拟结果相反，主要是因为改型后的叶片对小流量条件下流动约束性增强，不稳定流动减弱。图 不同工况下 压力脉动频域图图 为直叶片和“”型叶片额定工况下各点压力脉动频域图，从图中可以看出，直叶片在叶轮出口各点脉动低频脉动较为复杂，低频信号较为强烈，这是由于直叶片叶轮内部流动较为复杂，叶轮出口处伴随有复杂的二次流和反向流；而“”型叶片出口各点的脉动频率较为稳定，因此“”型叶片对超低比转速离心泵出口压力脉动不稳定性有较大的改善，两种叶轮主要频率均集中在小于 的低频区域。超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.图 额定工况下各点压力脉动时域图 结论（）两种叶片形式的压力脉动均具有明显的周期性，脉动峰值数量与叶片数相同，改进后的“”型叶片在各个工况点及监测点的压力波动幅度均明显减小，其中在额定工况点，监测点 压力脉动幅值下降 ，在.工况下，点幅值下降 ；.工况下 压力脉动幅值下降，其余工况下压力脉动幅值变化基本一致，幅值下降 ；这是由于“”型叶片能够使泵内流动更加稳定，减少回流和二次流等不稳定流动现象，因此改进后的“”型叶轮能有效改善超低比转速离心泵压力脉动幅值，提高其运行稳定性。（）对泵内实际压力进行压力脉动时域分析，并通过快速傅里叶变换的方法获得流场中压力脉动频谱数据，有助于分析泵内不稳定流动产生的危害。通过数据对比分析发现，直叶片叶轮和“”型叶片叶轮在不同工况下，脉动峰值出现次序均依次为、，反映出压力脉动波动情况与叶轮转动周期一致，体现压力脉动随流体流动传递的过程。压力脉动主频与转频、叶频及其倍频相关，且主要集中在小于 的低频区域。（）“”型叶轮低压区与出口局部高压区面积均有所减小，压力分布均匀，位于叶轮出口处的三角形高压区域面积减小，有利于减弱叶轮出口与蜗壳进口的动静干涉作用，减小能量损失。压力数值普遍下降，虽然因出口压力梯度减小而无法提供较大的能量，扬程有所下降，但是其运行稳定性及脉动特性均有明显改善。选用“”型叶轮后超低比转速离心泵在各个工况点的运行效率得到了普遍的提升。参 考 文 献 朱祖超 超低比转速高速离心泵的理论研究及工程实现 机械工程学报，（）：刘元义，衣振芹 超低比转速离心泵的研究 机械工程与自动化，（）：朱祖超 低比转速高速离心泵的理论及设计应用 北京：机械工业出版社，（）：宋冬梅，雷明川，费宇，等 交错布置叶片对双吸离心泵压力脉动特性的影响研究 大电机技术，（）：王洁，康敬波，韩伟，等 气相体积分数对导叶式离心泵内压力脉动的影响 大电机技术，（）：柯强，刘小兵，周倩倩 混流式水轮机导叶相对位置对其水力性能的影响 大电机技术，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：（下转第 页）.大 电 机 技 术 周文桐，周晓泉 水斗式水轮机转轮设计大电机技术，（）：杨康 冲击式水轮机及其内部不良流动的数值模拟研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，魏鸿达 六喷嘴冲击式水轮机全流域数值模拟及损失机理研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，韩凤琴，肖业祥，久保田乔 旋转水斗内的非定常射流干涉 华南理工大学学报，（）：何涛，刘占芳，王建明，等 千米级冲击式水轮机配水环管的强度计算与水压试验 大电机技术，（）：王堃 冲击式水轮机全流域数值分析及流动特性研究 兰州：兰州理工大学，蒋勇其 冲击式水轮机流固耦合数值模拟研究 武汉：武汉大学，曾崇济 冲击式水轮机内流特性及流动干扰现象研究 北京：清华大学，马 贵 兴，尹 继 红，刘 秀 杰大 型 水 轮 机 用 不锈钢的性能研究 大电机技术，（）：，支金花，张敏，王裕，等 钢的热处理工艺及组织性能 金属热处理，（）：王治宇，许海刚，宋红梅 超级马氏体不锈钢焊接性能研究 宝钢技术，（）：施旭明 整锻冲击式转轮整体数控加工工艺研究 装备制造技术，（）：翟元盛，周浩，王宇 冲击式水轮机水斗整体数控加工工艺 工具技术，（）：王国强，王爱民 大型转轮不锈钢焊接材料综合性能研究 大电机技术，（）：李向阳，王建光，冯涛 大型水轮机转轮马氏体不锈钢焊接材料合理匹配的研究 第八次全国焊接会议论文摘要集（第 册）北京：机械工业出版社，：收稿日期 作者简介蔡爽（），年毕业于华北电力大学，硕士研究生，现从事电力工程管理与科学专业，高级工程师。张海库（），年毕业于武汉大学，博士研究生，现从事水力机械故障诊断及性能预测工作，正高级工程师。（通讯作者）*（上接第 页），（）：丛国辉，王福军 双吸离心泵隔舌区压力脉动特性分析 农业机械学报，（）：周林玉 偏离工况下离心泵的压力脉动和振动分析 流体机械，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：收稿日期 作者简介方铭坤（），年毕业于济南大学水利与环境学院，现于中国农业大学水利与土木工程学院水力机械专业硕士在读。