湯雄，王彥偉*,，萬攀

離心泵啟動過程中蝸殼的瞬態(tài)特性分析

湯雄1，王彥偉*,1，萬攀2

（1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073；2.中國船舶集團有限公司 第七二二研究所，湖北 武漢 430205）

為了分析高速離心泵啟動過程中蝸殼的瞬態(tài)特性，首先通過Flowmaster軟件進行啟動過程仿真，得出外特性曲線，然后使用CFX對啟動過程中的蝸殼進行全流場分析，得出蝸殼內(nèi)部瞬態(tài)速度場分布規(guī)律以及軸向力和徑向力瞬態(tài)變化曲線，同時布置8個監(jiān)測點對蝸殼的壓力脈動進行分析，再通過單向流固耦合對蝸殼的結構進行瞬態(tài)特性分析。分析研究結果表明，在離心泵的啟動過程中，蝸殼內(nèi)速度場呈現(xiàn)先紊亂后穩(wěn)定均勻分布變化，徑向力和壓力在0.19 s內(nèi)表現(xiàn)出快速增加，隨后較為快速減小直至0.53 s，0.53 s后出現(xiàn)小幅度增加，并在0.91 s逐漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。蝸殼結構的振幅在0.19 s達到最大值16.255 μm，0.91 s后在13 μm上下小幅度波動且趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

離心泵；蝸殼；啟動過程；瞬態(tài)分析

離心泵是一種把原動機的機械能轉換為抽送液體的能量、具有高效轉換且運輸能力較好的機械，其內(nèi)部液體流動是靠離心力的作用，性能良好、結構穩(wěn)定并緊湊。

蝸殼是離心泵不可缺少的主要水利元件之一，主要作用是在最小的損失工作下，把入蝸殼的液體收集起來，通過流道均衡地引送泵的出口段或下一級葉輪的進口處。液體流動過程中，液體從葉輪中甩出，在進入蝸殼時與蝸殼碰撞，此時液體速度有一定減小，即存在動能向壓力能的轉換。蝸殼雖是離心泵中一個固定不動的構件，但其內(nèi)部是一個復雜的三維不穩(wěn)定湍流流場，葉輪和蝸殼的相互作用產(chǎn)生振動、壓力等過大時，會導致離心泵的振動、噪聲增強和性能不穩(wěn)定等，嚴重影響泵的穩(wěn)定運行。

長期以來，許多學者在蝸殼對離心泵性能影響展開大量研究工作。張德勝等[1-2]研究了蝸殼與葉輪匹配的三種結構，通過單向和雙向流固耦合對蝸殼的結構、振動特性進行了分析以及優(yōu)化，得到葉輪與蝸殼匹配較好的結構。張寧等[3]對側壁式結構的離心泵進行了壓力脈動研究，得出壓力脈動主要由葉頻引起，隔舌周圍壓力值高，側壁式結構可大幅地降低泵內(nèi)壓力脈動。申正精等[4]分析了布置凹槽的蝸殼在幾種工況下對離心泵內(nèi)部流動特性的影響，分析得出凹槽布置對離心泵內(nèi)部流動特性起到改善作用。牟介剛等[5]在蝸殼內(nèi)布置回流孔，對蝸殼內(nèi)瞬態(tài)流動特性進行研究分析，得出有回流孔的蝸殼壓力脈動劇烈，且脈動幅值較大。吳紹科等[6]對不同啟動方式離心泵瞬態(tài)啟動過程進行Flowmaster仿真，得出較優(yōu)啟動方式和詳細瞬態(tài)過程。吳大轉等[7]對快速啟動過程中離心泵進行試驗和研究分析，得出轉速、揚程、流量等啟動初期迅速增大，后階段基本穩(wěn)定，表現(xiàn)出明細瞬態(tài)效應。

本文首先根據(jù)離心泵的基本參數(shù)使用Flowmaster軟件獲取Q5H26離心泵啟動過程的轉速、揚程、流量變化曲線，然后用CFX對離心泵啟動過程進行數(shù)值模擬，最后采用ANSYS Workbench軟件對離心泵的蝸殼結構振幅進行瞬態(tài)特性分析。

1 幾何模型及Flowmaster仿真

1.1 幾何模型參數(shù)

本文所分析的離心泵其參數(shù)為：設計流量＝5 m3/h，揚程＝26 m，轉速＝7000 r/min，比轉速n＝82.70，效率＝0.68，蝸殼基圓直徑3＝65 mm，葉片數(shù)＝6，葉輪進口直徑D＝24 mm，葉輪出口直徑2＝62 mm。

對離心泵的性能影響來講，葉輪對泵的作用要比蝸殼大。但是這種情況并非一成不變，一個高精度高效率設計的葉輪，如果沒有合適的蝸殼與其配合，則再好的葉輪也不能發(fā)揮其作用。蝸殼不但對離心泵性能有明顯的影響，且如果蝸殼與葉輪配合不良，會使泵產(chǎn)生振動而無法工作。

離心泵蝸殼的八個截面形狀設計和尺寸精準度與蝸殼的水力損失密切相關。傳統(tǒng)設計方法設計出的蝸殼流道內(nèi)水力損失嚴重、效率低。本文使用SolidWorks設計蝸殼截面形狀和尺寸，可以完全符合設計生產(chǎn)要求，提高離心泵的效率。通過蝸殼的尺寸結構和數(shù)據(jù)對蝸殼進行SolidWorks三維結構建模，如圖1所示。

圖1 蝸殼的三維結構圖

1.2 Flowmaster流場仿真

Flowmaster是一款一維流體仿真計算軟件，通過對系統(tǒng)啟動過程進行整體建模，一系列的流體管道元件和監(jiān)測顯示元件組成整體的流體網(wǎng)絡模型。對系統(tǒng)結構進行分解，成相對應的設備和節(jié)點形成的網(wǎng)絡，用流動的介質和元件描述各種結構內(nèi)流情況獲取流體仿真中所需要的各項數(shù)值。

通過Flowmaster流場仿真計算得到離心泵啟動過程中的轉速、揚程、流量隨時間變化的曲線圖，如圖2所示。

圖2反應了3 s內(nèi)離心泵的轉速、流量變化規(guī)律，可知，在啟動開始時，泵的加速度最大，離心泵的內(nèi)部流動變化劇烈，揚程急劇上升，流量上升較為緩慢。在0.19 s時達到最大轉速7759 r/min，此時可看出揚程出現(xiàn)最大值35 m，流量值為3.67 m3/h且呈現(xiàn)上升趨勢。0.19 s后隨著流體進入泵內(nèi)，泵的加速度減小，此時泵的轉速下降，揚程也出現(xiàn)下降趨勢，而流量呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，這是因為該過程達到的穩(wěn)定流量相對較大，轉速達到最大時，系統(tǒng)尚未達到穩(wěn)定的工況點，流量保持上升趨勢，揚程在離心泵的自身特性影響下下降到穩(wěn)定工況點。0.53 s達到最低轉速6791 r/min，0.91 s以后泵達到穩(wěn)定工況點，此時轉速穩(wěn)定在7000 r/min附近，流量穩(wěn)定在5 m3/h，此后時間一直到3 s時也處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 啟動過程瞬態(tài)計算方法

2.1 控制方程與湍流模型

離心泵內(nèi)液體的流動通常認為是不可壓縮的三維湍流流動，而蝸殼內(nèi)液體的流動要遵守三大守恒定律，即質量和能量還有動量守恒，它們共同組成N-S方程。所以文中采用CFX軟件對高速離心泵啟動過程全流場進行數(shù)值模擬，通過求解不可壓縮雷諾等時守恒N-S方程和標準-湍流模型，得到3 s內(nèi)整個啟動過程中流場的瞬態(tài)變化過程。

2.2 網(wǎng)絡劃分及邊界條件

通過SoildWorks對高速離心泵的流場部分的進口及進口延伸段、葉輪、蝸殼、出口及出口延伸段進行三維流場建模，并將其導入到CFX中進行自適應網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)絡無關系驗證后，得到的驗證結果如表1所示，可以看出，網(wǎng)格大小在0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、10 mm時，通過CFX對離心泵穩(wěn)態(tài)流場計算出的揚程誤差相差0.01，為保證網(wǎng)格計算精度良好、方便計算、節(jié)約時間，最終確定本次模擬計算的網(wǎng)格大小為1.5 mm，對離心泵流場模型進行網(wǎng)絡劃分后形成346093個節(jié)點和167266個單元。獲取的離心泵流場網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖2 離心泵啟動過程特性曲線

表1 網(wǎng)絡無關性驗證

圖3 離心泵流場網(wǎng)絡劃分圖

進行瞬態(tài)計算設置時，在進口延長段的進口邊以總壓力為進口條件，參考壓力設置為一個大氣壓，在出口延長段出口處采用流量公式定義。網(wǎng)格節(jié)點均采用GII模式，對于葉輪和進口延長段、葉輪與蝸殼的動－靜計算域交界面，采用瞬時凍結轉子模式進行連接，對葉輪流場進行旋轉計算域定義，選擇旋轉壁面Rotating Wall，其值為0 r/min，其壁面為無滑移壁面，蝸殼與出口延長段之間采用靜止無滑移壁面，收斂判據(jù)選為平均值RMS，其具體值為10-4，在進行啟動過程瞬態(tài)計算時，需要在穩(wěn)態(tài)計算結果的基礎上進行，設置其為初始條件，在保證計算精度的前提下，根據(jù)轉速變化情況設置計算總時間。

3 瞬態(tài)計算結果分析

3.1 速度場瞬態(tài)分析

離心泵啟動過程中蝸殼內(nèi)的液體流動速度隨著時間的變化而發(fā)生連續(xù)性變化，取啟動過程中的6個時間點對離心泵蝸殼內(nèi)部液體流動速度進行分析比較。6個時間點的速度場分布如圖4所示。

圖4 蝸殼內(nèi)速度場瞬態(tài)分布圖

圖4反應了蝸殼內(nèi)部液體在啟動過程0.01～1 s內(nèi)的瞬態(tài)速度分布。在啟動初期0.01～0.06 s時間點，蝸殼內(nèi)部速度場分布不均勻，葉輪高速旋轉，在葉輪流道出口處液體逐漸向蝸殼內(nèi)部擴散，引起蝸殼的進口附近流速增大，由于葉輪與隔舌之間存在動靜干涉的作用，在隔舌周圍出現(xiàn)了較小面積的高速區(qū)域。在0.19 s時，葉輪的旋轉速度達到最大，動靜干涉作用增大，蝸殼隔舌的高速區(qū)域分布面積顯著增大，并逐漸向蝸殼出口方向擴散，蝸殼內(nèi)部整體速度場分布面積增大，流速也有明顯提高。在0.19～1 s內(nèi)，流量持續(xù)增加，葉輪旋轉加速度越來越小，在0.91 s時，葉輪轉速逐漸接近額定轉速，流量變化較小，隔舌位置高速區(qū)域面積逐漸減少，蝸殼內(nèi)部整體流動狀態(tài)整體趨于穩(wěn)定，每個時刻的速度場分布無明顯變化，蝸殼內(nèi)部流速場分布均勻。

3.2 瞬態(tài)徑向力分析

啟動過程中，葉輪的轉速在極短的時間內(nèi)從零上升到額定值，流量也隨之迅速增加，泵內(nèi)液體的流動速度變化劇烈，流動損失較為嚴重，使得泵內(nèi)部壓力分布不均勻，有徑向力產(chǎn)生。因此離心泵在啟動期間的瞬態(tài)徑向力變化特性相對于通常偏離設計工況下的徑向力變化具有一定的特殊性。

將從Flowmaster中獲取的高速離心泵的轉速、流量隨時間變化的數(shù)值導入CFX對啟動過程進行數(shù)值模擬計算，從而得出蝸殼的揚程和受力在啟動過程中的變化過程，得到其揚程隨時間的變化曲線和轉速隨時間變化的曲線一致，其值最終穩(wěn)定在26 m附近。穩(wěn)定后數(shù)值模擬所獲取的揚程與設計揚程的誤差在4%以內(nèi)，因此，數(shù)值模擬的正確性得以驗證。與此同時，獲取離心泵啟動過程中蝸殼的瞬態(tài)軸向力和徑向力隨時間變化的曲線，如圖5所示。

從圖5可知，蝸殼軸向力雖在啟動過程中變化劇烈，但其數(shù)值較小且對蝸殼振動的影響微小，因此，蝸殼主要受徑向力作用，所以僅對蝸殼所受的徑向力進行分析。其瞬態(tài)徑向力變化趨勢與轉速和流量隨時間變化的趨勢接近，在啟動過程0.19 s內(nèi)，因為實際流量比設計工況流量小，蝸殼中流體對隔舌處有一點沖擊，流動速度逐漸減小，相當于擴散管道中的流動，壓力有一定增加。流入蝸殼的液體在葉輪出口處的絕對速度反而越來越大，液體流動的方向在這個時間內(nèi)發(fā)生改變，當從葉輪中流出的液流與蝸殼中的液流因速度大小和方向不同在蝸殼中產(chǎn)生沖擊時，徑向力呈現(xiàn)出快速增加趨勢且值較大[9-10]。隨著啟動過程進行，當流量與設計流量接近時，葉輪周圍蝸殼中的壓力對液流起一定阻礙作用，徑向力呈現(xiàn)減小趨勢，在0.53 s時最小，直到穩(wěn)定狀態(tài)，0.91 s后趨向穩(wěn)定狀態(tài)且徑向力增長逐漸緩和且較為穩(wěn)定。

圖5 蝸殼瞬態(tài)軸向力和徑向力曲線圖

3.3 蝸殼內(nèi)壓力分布

啟動過程中對6個不同時刻離心泵蝸殼內(nèi)流道的截面壓力分布如圖6所示。

圖6 蝸殼內(nèi)部壓力分布圖

由圖6可知，從離心泵的整個啟動過程中提取6個時刻蝸殼的內(nèi)部流道受壓分布，可得到啟動過程中蝸殼的壓力分布是一個從小到大再逐漸穩(wěn)定的過程。蝸殼的壓力分布在0.19 s前后變化較為明顯，0.19 s前漸增，在0.19 s時受到的壓力最大，0.19 s后漸小且逐漸穩(wěn)定。

3.4 蝸殼內(nèi)壓力脈動分析

在蝸殼的壁面和出口設置8個監(jiān)測點來獲取高速離心泵在啟動過程中的壓強變化曲線，并對啟動過程中蝸殼的壓力脈動進行分析，為后續(xù)蝸殼實體結構在啟動過程中的瞬態(tài)分析提供一定依據(jù)。壓力監(jiān)測點的布置和壓力脈動隨啟動時間變化曲線如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點布置及壓力脈動變化曲線圖

由圖7（b）所知，各監(jiān)測點的壓力變化趨勢較為接近，在啟動過程0.19 s內(nèi)，液體流入高速旋轉的葉輪，葉輪帶動液體做高速離心運動，液體通過葉輪出口甩出并進入蝸殼，由于甩出的液體與蝸殼發(fā)生碰撞，速度逐漸減小，直到與蝸殼中的液流速度接近，此過程中，甩出葉輪的流體動能轉化為蝸殼中液體的壓力能。此外還可看出，各監(jiān)測點的壓力值呈現(xiàn)快速上升趨勢[9-10]，在0.19 s出現(xiàn)最大值。因為葉輪與蝸殼隔舌的動靜干涉作用，液體從葉輪流出與蝸殼產(chǎn)生碰撞，在1點隔舌處的壓力脈動最劇烈，液體經(jīng)蝸殼出口流出，出口管附近監(jiān)測點7和出口處監(jiān)測點8相對較大。0.19～0.53 s時，轉速和流量逐漸趨于額定工況，液體流動速度較快，各監(jiān)測點壓力下降較快，0.53 s上升到一定壓力值并在其附近很小范圍內(nèi)波動，0.91 s呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢。

3.5 蝸殼結構瞬態(tài)分析

壓力載荷設置，通過單向流固耦合把啟動過程中的仿真模擬流場中得出蝸殼的力導入蝸殼結構場中，流固耦合求解時的流體水壓力對蝸殼結構內(nèi)流道接觸面作用是流體對結構作用的外載荷，因此將蝸殼內(nèi)部與流體接觸的面設為流固耦合面，蝸殼的材料選用結構鋼，約束設置時，由于蝸殼通過電機端蓋和隔板用螺栓和卡箍與電機連接，在連接處設置固定約束。

對高速離心泵進行轉速從0到7000 r/min啟動過程蝸殼的結構瞬態(tài)響應分析，得出蝸殼在各個轉速下所對應的瞬態(tài)響應，從而獲得高速離心泵蝸殼的振幅隨時間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 時間－振幅變化曲線

從圖8可以看出，隨著啟動過程的進行，蝸殼的振幅變化趨勢呈先增大后減小并趨向穩(wěn)定。分析徑向力和壓力脈動可知，隨著啟動過程的進行，轉速不斷上升，流入蝸殼的液流速度較大，不斷沖擊蝸殼，導致葉輪與蝸殼的動靜干涉效果越來越明顯。當轉速越來越接近臨界轉速時，徑向力和壓力值不斷增大，0.19 s時振幅最大，最大值為16.215 μm。0.19 s后，當轉速穩(wěn)定在額定值時，流量逐漸達到額定工況點，液流速度也逐漸趨向相對穩(wěn)定，蝸殼所受的徑向力和壓力脈動減小且逐漸趨向穩(wěn)定，振幅在13 μm上下小幅度波動，即趨向相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結論

（1）Q5H26離心泵在啟動過程中轉速、揚程變化趨勢較為接近，0.19 s內(nèi)呈現(xiàn)出快速增大趨勢，且在0.19 s轉速達到7759 r/min，揚程35 m。0.19 s后逐漸下降，0.53 s后小幅度增加且0.91 s后逐漸趨向穩(wěn)定。流量在0.53 s時因未達到穩(wěn)定工況點，之后一直呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，直到0.8 s后逐漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在啟動過程0.01～1 s內(nèi)，啟動初期0.19 s內(nèi)蝸殼內(nèi)部速度場分布十分紊亂，速度場分布主要在蝸殼入口周圍較為明顯，隔舌周圍出現(xiàn)較小面積高速區(qū)。在啟動中后期0.19～1 s內(nèi)，隨著流量增加，轉速逐漸下降并接近額定轉速，蝸殼隔舌周圍高速區(qū)面積先增大后減小，蝸殼內(nèi)部流動趨向穩(wěn)定，速度場分布相對均勻，對泵的性能影響較弱。

（3）獲得了離心泵啟動過程中蝸殼的瞬態(tài)軸向力和徑向力及8個監(jiān)測點壓力脈動變化規(guī)律，其規(guī)律與轉速流量揚程變化趨勢較為接近。0.19 s時出現(xiàn)最大值，0.91 s逐漸趨向穩(wěn)定。蝸殼主要受軸向力影響，與軸向力無關。隔舌和出口管分別因為動靜干涉和液體流動速度影響而出現(xiàn)較大的壓力脈動。

（4）獲取了蝸殼結構在整個啟動過程中各時間段的瞬態(tài)振幅響應，從而取得了蝸殼在整個過振幅的變化規(guī)律，0.19 s時達到最大振幅點，振幅值為16.215 μm，0.91 s后在13 μm上下波動且趨向穩(wěn)定，進而確定了蝸殼在啟動過程中可保證安全穩(wěn)定。

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Analysis of Transient Characteristics of Volute in Centrifugal Pump Start-Up Process

TANG Xiong1，WANG Yanwei1，WAN Pan2

( 1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China; 2.No.722 Research Institute, CSSC, Wuhan 430205, China )

In order to analyze the transient characteristics of the volute in the start-up process of the high-speed centrifugal pump, the start-up process was simulated by the Flowmaster software to obtain the external characteristic curve. Then, CFX was used to analyze the volute in the start-up process to obtain the distribution law of the transient velocity field inside the volute and the transient change curve of axial and radial force. At the same time, eight monitoring points were arranged to analyze the pressure pulsation of the volute, and then the transient characteristics of the volute structure were analyzed through unidirectional fluid-solid coupling. The results show that during the start-up process of centrifugal pump, the velocity field in the volute changes from a disordered state to a stable uniform distribution. The radial force and pressure increase rapidly in 0.19 s, and decrease at a relatively high speed until 0.53 s, and then increase slightly and gradually trend to a stable state in 0.91 s. The amplitude of the volute reaches a maximum value of 16.255 μm at 0.19 s, and fluctuates slightly around 13 μm after 0.91 s and tends to be stable.

centrifugal pump；volute；start-up process；transient analysis

TH311

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.001

1006-0316 (2022) 02-0001-07

2021-06-17

國家自然科學基金（51375186）；湖北省教育廳重點科研項目（D20161507）

湯雄（1995－），男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向為流體機械及機械工程，E-mail：308178464@qq.com；萬攀（1990－），男，湖北孝感人，碩士，工程師，主要研究方向為機械設計與仿真分析。*通訊作者：王彥偉（1975－），男，河南開封人，博士，教授，主要研究方向為CAD/CAE、機械優(yōu)化設計，E-mail：ywwang.cad@gmail.com。