摘要： 双吸离心泵内部流场压力脉动是影响水泵机组运行稳定性的关键因素,为了研究双吸离心泵叶轮两侧叶片交错布置对泵蜗壳内压力脉动的影响,以某双吸离心泵为研究对象,将其两侧叶片分别交错布置15°和30°,在蜗壳的不同位置设置监测点,利用CFD技术对离心泵内部流场在设计工况下进行三维非定常数值模拟,得到监测点处的压力脉动情况,并对其进行时域与频域分析.结果表明,该泵蜗壳内的压力脉动主要以轴频和叶频为主,相对于原模型泵叶轮,将叶片交错布置可以有效改善蜗壳内的压力脉动情况,且将叶片错开30°减弱蜗壳内压力脉动的效果比错开15°更好.

关键词： 双吸离心泵; 数值模拟; 压力脉动; 时域; 频域

双吸离心泵在实际生活中有着非常广泛的应用,与单吸泵相比,它有较大的流量、较好的吸入性能；与混流泵比,它有较高的扬程[1].一般来说,泵内部叶轮与蜗壳的动静干涉作用、离心泵叶道内尾迹区域的存在所引起的二次流动以及偏离设计工况时的叶轮进出口回流等都可能会引起泵内较大的压力脉动,加剧振动和噪声,妨碍泵机组的安全运行[2],因此,研究双吸泵内部流动机理、减小泵内压力脉动,从而降低运行时的振动和噪声具有重要的意义.

随着计算流体力学和计算机技术的快速发展,对泵进行整机全三维数值模拟已比较普遍,国内外在泵的定常流动方面的研究较多,得到了泵内不同位置的速度、压力等分布规律[3-5],为优化泵的结构、提高泵的效率指明了方向.但是,由于泵内部流动极其复杂,非定常流动的模拟常常需要较高的计算机硬件配置又非常耗时,所以这方面的研究文献相对较少,尤其是关于减弱泵的压力脉动的措施这方面的研究更少.虽然将双吸泵两侧叶片交错布置在实际工程中有了应用,但是对将叶片交错布置后泵的不同过流部件的压力脉动的流场模拟方面的研究还是较少,所以研究双吸叶轮两侧叶片交错布置及错开不同角度对泵内不同位置的压力脉动的影响是非常必要的.

本文采用Fluent中的滑移网格模型对离心泵内部流动进行非定常模拟[6],重点分析交错不同角度对蜗壳内压力脉动的影响,为减弱泵的蜗壳内部的压力脉动、提高泵的运行稳定性提供依据.

1　计算模型及监测点

本文研究对象是某大型中比转速双吸离心泵,其基本结构参数为：叶轮叶片数6,出口宽度224 mm,叶轮进口直径730 mm,叶轮出口直径1 150 mm；性能参数为：流量3 m3/s,扬程56 m,转速600 r/min.蜗壳内监测点位置示意图如图1所示.

图1　压力脉动监测点布置
Fig.1　Layout of monitoring stations of pressure pulsation

2　数值模拟

2.1　计算方法及边界条件

基于CFD软件Fluent,采用SIMPLC方法求解不可压缩时均N-S方程.湍流模型选取标准k-ε两方程模型；壁面采用无滑移边界条件,近壁区域采用标准壁面函数处理,进口采用速度进口边界条件,出口采用出流边界条件[7-8].选用滑移网格模型对叶片-蜗壳动静干涉进行模拟,其基本思想是在某一时间步内,分别计算定子区域和转子区域的流场,通过交界面传递流动参数,转子区域的网格随着转子一起转动,而定子区域的网格静止不动.计算时间步长为0.000 83 s.这个时间步长的大小与叶轮的转速有关,取3°为一个时间步长,即每经过120个时间步长,叶轮旋转1周,该双吸泵叶轮的转速为600 r/min,即1转(360°)需要0.1 s,所以一个时间步长为0.000 83 s.

在标准k-ε两方程模型中,与k和ε对应的输运方程为

(1)

(2)

(3)

式中：Gk为由于速度梯度引起的应力生成项(或源项),Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε为常数.

2.2　计算区域及网格划分

利用Pro/E软件进行三维模型的建立[9],得到计算流体域模型,主要包括叶轮、吸水室、压水室三部分.双吸离心泵为左右对称结构,其几何结构比较复杂,因此采用了对复杂边界适应性强的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分,在叶轮与蜗壳的交界面上进行了网格加密,网格单元总数是4 860 300,其中：叶轮网格数为1 142 160,蜗壳网格数为2 082 300,吸水室网格数为1 635 840,通过网格无关性验证,当网格单元总数在4 860 300左右时,定常计算结果收敛较快,离心泵的性能曲线和试验结果接近.本文定常计算结果作为非定常的初始值,在定常计算中,残差曲线的迭代精度为10-4,定常计算结果均收敛,非定常计算在每一个时间步长内均收敛.计算域网格如图2所示.

图2　计算域及网格
Fig.2　Computational domain and grids

3　计算结果及分析

压力脉动特性可用静压值、总压值以及压力系数来表征,本文采用压力系数Cp来表示,即

式中：p为瞬时压力值,Pa；为平均压力,Pa；ρ为流体的密度,kg/m3；u2为叶轮出口处的圆周速度,m/s.

3.1　隔舌处压力脉动分析

为了方便,将原模型、叶轮两侧叶片交错布置15°、30°模型分别定为1#、2#、3#模型.图3和图4分别为三个模型在隔舌处的脉动时域与频域图,从时域图中可以看出,在设计工况下,三个模型的压力脉动都具有明显的周期性,时域图所呈现出的波形与叶片在叶轮中的布置相对应.1#模型的波形变化较大,在三分之一周期内波峰的峰值最大,三分之二周期内波峰的峰值下降较快,在快接近一个完整的周期时,峰值又有所上升；2#模型的波峰峰值在整个周期内基本上升,快接近一个周期内略有下降；3#的波峰峰值在整个周期相对比较平稳.1#模型的压力脉动幅度最大,约占总压均值的16.2%, 2#模型的压力脉动幅度约占总压均值的11.79%,3#模型的脉动幅度最小,约占总压均值的9.28%,可见原模型在隔舌处的脉动幅值高于错开模型.对比三者的脉动频域图可以发现,三个模型有相同的分布特征：都是轴频的脉动幅值最大,对于叶频来说,1倍叶频处脉动幅值最大,但是相对于轴频幅值减小剧烈,之后在叶频的递增倍数处逐渐衰减,几乎衰减为0.1#模型的轴频幅值明显大于2#模型,3#模型的轴频幅值比2#模型的幅值小一些,总体而言,这三个模型都是轴频脉动占主导地位.由以上分析可知,叶轮两侧叶片交错布置可以有效降低该泵蜗壳内隔舌处压力脉动[10],本文较大交错度数比较小交错度数降低隔舌处压力脉动的效果更好.

图3　P5点压力脉动时域图
Fig.3　Pressure fluctuation time-domain at point P5

图4　P5点压力脉动频域图

Fig.4　Frequency-domain of pressure pulsation at point P5

3.2　蜗壳与叶轮交界处压力脉动分析

图5反应了各模型在蜗壳进口周向与叶轮耦合处不同测点处的压力脉动时域图,从P1点到P4点所在断面的径向截面面积依次增大,P4点所在断面为离隔舌最近的地方.从各模型四个点处的波形来看,原模型具有6个明显的波峰和波谷,而交错模型具有12个波峰和波谷,且2#模型与3#模型的波峰波谷形状与错开的度数相对应.原模型的脉动幅值明显大于交错模型的脉动幅值.为了方便比较,将各模型在不同的测点处的脉动幅度占总压均值的比例见表1.

图5　压力脉动时域图

Fig.5　Pressure fluctuation time-domain

表1　各点压力脉动幅度占总压均值的比例

Tab.1　Ratio of pressure pulsation amplitude to mean

total pressure at monitoring stations

%

从表1可以看到, 2#和3#模型由于是两侧叶片交错布置,最大脉动幅度所占比例比1#模型小许多.结合前面隔舌处的比例发现,交错模型在叶轮与蜗壳交界处压力脉动幅度占总压均值的比例基本小于隔舌处或者和隔舌处比较接近.按以上的分析可知,在该泵中叶轮与蜗壳的动静干涉作用是非常大的,靠近隔舌的地方脉动明显高于远离隔舌的地方[11],将双吸泵叶轮两侧叶片交错布置可以有效减弱叶轮与蜗壳动静干涉作用所引起的压力脉动.

图6为各模型在四个测点处的频域图,总的来看,四个点的频域特征也是极其相似的,1#、2#模型均是轴频幅值最大,3#模型在两倍叶频幅值处最大,在7倍叶频之后基本衰减为0； 1#模型叶频及其倍频脉动严重,在8倍叶频之后的幅值仍然较大,低频脉动一直较大,而2#、3#模型在6倍或7倍叶频后脉动衰减严重,几乎为0.以上的这种现象主要是由于监测点均处在叶轮与蜗壳的交界处,可见旋转的叶轮和静止、非对称的压水室之间动静干涉作用强烈,产生了叶频压力脉动,这会严重影响机组的运行稳定性,造成泵内较大的能量损失,所以要进行改善泵内压力脉动状况,也就是说降低压力脉动幅度,而将双吸叶轮两侧叶片交错布置是一种较好的方式.

3.3　出口处压力脉动分析

图6　交界处各点压力脉动频域图
Fig.6　Frequency-domain of pressure pulsation at interface

图7　P7点压力脉动时域图
Fig.7　Pressure fluctuation time-domain at point P7

图8　P7点压力脉动频域图
Fig.8　Frequency-domain of pressure pulsation at point P7

图7和图8分别是原模型与叶片交错模型在出口处的压力脉动时域、频域图,时域图中三个模型有明显的波峰波谷存在且数目和叶片数相同,但是原模型与交错模型的波形相差较大；对于图7的时域图,1#模型的压力脉动幅度仍然最大,占总压均值的15.7%,2#模型次之,脉动幅度约占总压均值的7.3%,3#模型最小,约占5%.结合隔舌处和蜗壳进口处的这一比例发现,同一模型出口处的脉动幅值较小.从图8的频域图可以看出,三个模型在轴频处脉动幅值都最大,1倍叶频处减小剧烈,之后交错模型脉动幅度几乎为零,而原模型在3倍叶频后衰减剧烈,在之后的叶频处几乎为0,由此可见叶片交错布置的模型几乎在出口处基本无叶频成分.

4　结论

1) 双吸离心泵内主要存在轴频、叶频脉动以及它们的倍频脉动,叶轮两侧叶片交错布置可以有效降低蜗壳内压力脉动.

2) 从叶轮与蜗壳交界处各点的压力脉动幅度所占总压均值的比例可以看出,3#模型各点的这一比例基本低于2#模型对应的比例,另外,从各点的压力脉动频域图也可以看到,3#模型中轴频或者叶频的最大幅值基本低于2#模型,所以两侧叶片交错30°比交错15°降低蜗壳内压力脉动的效果更好.

3) 出口处由于扩散管的缓冲与稳流作用,压力脉动小于其他地方；对于同一模型,不同位置的测点压力脉动时域、频域特征几乎相同.