舒乙宸,宋文武,馬曉堂,陳洪陽,杜 聰

(西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039)

0 引 言

作為一種靠葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來輸送液體的通用機(jī)械,離心泵的應(yīng)用非常廣泛。離心泵的基本構(gòu)造是由葉輪、泵體等部分構(gòu)成,其中,葉輪是離心泵的核心部分。離心泵的內(nèi)部流動狀況是影響其運行特性的重要因素。

在通常情況下,離心泵大多采用螺旋型蝸殼結(jié)構(gòu),蝸殼與隔舌的不對稱性會造成葉輪出口流動的環(huán)形畸變,尤其是在非設(shè)計工況點時,其畸變將更為劇烈[1]。

目前,工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω弑绒D(zhuǎn)速離心泵性能的要求越來越高,而空化是影響離心泵性能與運行穩(wěn)定性的重要因素。因此,有必要研究離心泵不同隔舌安放角在空化狀態(tài)下的壓力脈動,并根據(jù)壓力脈動的對比分析,研究隔舌安放角對離心泵空化過程的影響。

王凱麗等人[2]研究了不同空化階段的離心泵非定常流動特性問題,研究發(fā)現(xiàn),在同一空化階段,不同工況下離心泵隔舌和出口位置的壓力脈動變換規(guī)律相似,即從未空化到嚴(yán)重空化階段,離心泵壓力脈動幅值降低,且主頻均為葉頻。蔡建程等人[3]研究了在非設(shè)計工況下的離心泵性能和其隔舌區(qū)壓力脈動問題,研究發(fā)現(xiàn),對于變轉(zhuǎn)速工況,離心泵隔舌區(qū)的壓力脈動強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速以二次函數(shù)的形式升高。羅旭等人[4]研究了不同空化程度下的高速離心泵,得到了高速離心泵葉輪內(nèi)部的空化演變過程,以及流體誘發(fā)的離心泵壓力脈動的變化規(guī)律。楊敏官等人[5]研究了離心泵隔舌附近流場的壓力場,并且對離心泵葉輪流道內(nèi)的空化發(fā)生部位和發(fā)展程度進(jìn)行了預(yù)測。

在現(xiàn)有的有關(guān)于離心泵隔舌安放角壓力脈動的研究中,針對中低比轉(zhuǎn)速離心泵的研究較多[6-12],且其中的多數(shù)研究是針對其非空化的狀態(tài)[13]。目前,對空化狀態(tài)下高比轉(zhuǎn)速離心泵壓力脈動[14，15]的研究較少,并且缺乏空化階段隔舌安放角對隔舌處壓力脈動影響的研究。

筆者將采用CFD技術(shù)對不同空化狀態(tài)下的模型泵進(jìn)行數(shù)值模擬,并對3種隔舌安放角的模型泵隔舌處的壓力脈動進(jìn)行對比,研究不同隔舌安放角在空化狀態(tài)下對壓力脈動的影響,以期對離心泵的水力優(yōu)化和可靠運行提供參考。

1 數(shù)值計算

1.1 計算模型

該研究對象為某一離心泵,其設(shè)計參數(shù)為:

流量Q=48 m3/h,揚程H=7.8 m,轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min,葉片數(shù)Z=6。

筆者利用CFturbo建立了葉輪三維模型和不同隔舌安放角下的蝸殼三維模型,并在UG中分別對進(jìn)口段和出口段進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难由臁?/p>

三維模型如圖1所示。

圖1 三維模型

為了監(jiān)測離心泵上各個位置的壓力脈動,筆者在模型泵上設(shè)置了5個監(jiān)測點,分別位于隔舌、出口、進(jìn)口、蝸殼。

模型監(jiān)測點設(shè)置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點設(shè)置

1.2 網(wǎng)格劃分

筆者利用ANSYS-CFX前處理網(wǎng)格軟件ICEM對模型泵的水體進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量,筆者分別對葉輪葉片、蝸殼隔舌等扭曲度較大的地方進(jìn)行了加密處理;對該模型泵的全流道網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性驗證,選取了4組不同密度網(wǎng)格。

網(wǎng)格無關(guān)性驗證如表1所示。

考慮到時間成本和計算機(jī)資源,筆者最后確定此處的模擬計算采用方案2,計算域網(wǎng)格總數(shù)為4 114 820。

其中,葉輪水體為1 286 597,蝸殼水體為1 906 561,進(jìn)口延長段為506 426,出口延長段為415 236。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

離心泵模型網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 離心泵模型網(wǎng)格圖(葉輪及蝸殼)

2 求解方法及邊界條件

2.1 計算模型

此處的計算模型選用RNG k-Epsilon湍流模型,湍動能方程如下:

(1)

式中:αk—經(jīng)驗系數(shù);ue—有效黏性系數(shù);k—湍動能;Gk—湍動能生成項;ε—湍動能耗散率。

此處的空化模型采用基于空泡動力學(xué)中簡化的Rayleigh-Plesset模型:

(2)

式中:PV—氣相壓力,Pa;P—水蒸氣飽和壓力,Pa;rnuc—成核位置的氣相體積分?jǐn)?shù),rnuc=5.0×10-4;RB—成核位置的氣泡半徑,RB=2.0×10-6m;Fe,Fc—氣化和壓縮過程中的經(jīng)驗參數(shù),其中,Fe=5.0,Fc=0.01。

2.2 數(shù)值模擬設(shè)置與邊界條件

筆者運用ANSYS CFX17.0進(jìn)行模擬計算,將進(jìn)口設(shè)置為總壓進(jìn)口,將出口設(shè)置為質(zhì)量流量。

筆者對非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格采用GGI適應(yīng)模式,葉輪和蝸殼水體之間的動靜耦合交界面設(shè)置為Frozen Rotor交界面,并采用無滑移壁面網(wǎng)格。

其中,在定常計算中旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的交界面設(shè)置為“凍結(jié)轉(zhuǎn)子”狀態(tài),液體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1,氣體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0,改變壓力進(jìn)口從而達(dá)到不同的空化程度[16-18]。

筆者將定常的結(jié)果作為非定常的初始狀態(tài)開始計算,時間步長344.828 μs,數(shù)值計算10個周期,選取最后一個周期進(jìn)行分析,求解精度為10-5。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 不同空化階段模型泵壓力脈動模擬結(jié)果

筆者用性能下降法作為判別泵是否發(fā)生空化的依據(jù)。此處,模型泵的未空化階段、空化階段、嚴(yán)重空化階段,即為泵揚程未下降、揚程下降3%與揚程下降70%時的狀態(tài)。

各監(jiān)測點在不同空化程度下的壓力脈動頻域圖如圖4所示。

圖4 不同空化程度下的壓力脈動頻域圖

從圖4可以看出:

在非空化情況下,各監(jiān)測點壓力脈動頻率分布比較一致,主頻位于0.2倍轉(zhuǎn)頻處;

在空化情況下,隔舌監(jiān)測點的壓力脈動幅值明顯高于其他監(jiān)測點,壓力脈動主頻位于葉頻144 Hz處,次頻位于兩倍葉頻處;

在嚴(yán)重空化的情況下,隔舌監(jiān)測點的壓力脈動幅值較其他監(jiān)測點來說也較大。這是因為蝸殼和葉輪間產(chǎn)生了較強(qiáng)的動靜干涉,壓力脈動強(qiáng)度加大。

就隔舌位置的監(jiān)測點來說,從非空化階段到臨界空化階段,隔舌監(jiān)測點的壓力脈動幅值有明顯下降。從臨界空化階段到嚴(yán)重空化階段,隔舌處壓力脈動的幅值倍增。

離心泵內(nèi)空泡隨著裝置空化余量的降低而逐漸增多,空泡的聚集、膨脹及空穴的脫落造成了壓力的波動。隨著進(jìn)口壓力的減小,空化越來越嚴(yán)重,導(dǎo)致流道內(nèi)流動不穩(wěn)定性加劇。

不同空化程度下,離心泵的壓力脈動時域圖如圖5所示。

圖5 不同空化程度下的壓力脈動時域圖

從圖5可以看出:

隨著進(jìn)口壓力的減小,空化逐漸加劇,離心泵內(nèi)壓力也隨之減小。進(jìn)口處壓力最小并且壓力脈動幅值最小,隔舌附近監(jiān)測點壓力脈動幅值最大;

在空化過程中,離心泵出口、隔舌等位置的壓力脈動幅值明顯高于進(jìn)口位置。

以上結(jié)果說明,隨著空化程度的加劇,流動的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在離心泵的下游位置。

3.2 不同空化階段模型泵揚程與效率

不同有效空蝕余量下,離心泵的揚程曲線圖如圖6所示。

圖6 不同有效空蝕余量下的揚程曲線

從揚程曲線可以看出:

在未空化階段,隔舌安放角的變化對離心泵的揚程基本沒有影響;但是隨著空化的加劇,相同的有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,揚程越高;并且隔舌安放角越大,臨界空蝕余量越小。

不同有效空蝕余量下,離心泵的效率曲線圖如圖7所示。

圖7 不同有效空蝕余量下的效率曲線

從圖7可以看出:

未空化階段不同隔舌安放角的離心泵效率基本一致,但是開始發(fā)生空化之后,相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,離心泵效率越高,在嚴(yán)重空化時尤為明顯;

通過分析可知,相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,揚程和效率越高;隨著隔舌安放角的增大,離心泵在空化條件下的性能有所優(yōu)化。

3.3 空化過程中不同隔舌安放角壓力脈動

未空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖8所示。

圖8 未空化階段隔舌監(jiān)測點壓力脈動頻域圖

從圖8中相同的空化階段可以看出:

在非空化狀態(tài)下,安放角增大對離心泵隔舌處壓力脈動幅值影響不大;但是隨著安放角的增大,其高頻成分有所減少。

臨界空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖9所示。

從圖9可以看出:

空化狀態(tài)下,隔舌處壓力脈動的主頻和次頻分別在葉頻和兩倍葉頻處;隨著隔舌安放角增大,其壓力脈動的主頻頻率基本不變,次頻有較為明顯的減小,高頻成分也有所減少。

嚴(yán)重空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖10所示。

從圖10可以看出:

圖9 臨界空化階段隔舌監(jiān)測點壓力脈動頻域圖

圖10 嚴(yán)重空化階段隔舌監(jiān)測點壓力脈動頻域圖

嚴(yán)重空化時,隨著安放角的增大,從28°～32°,隔舌處壓力脈動由無規(guī)律高頻振動逐漸平穩(wěn)下來,振幅明顯減小。該結(jié)果說明,通過將隔舌安放角適當(dāng)?shù)卦龃?能有效地穩(wěn)定隔舌處的壓力脈動;

從未空化階段到臨界空化階段,相同隔舌安放角的模型泵壓力脈動的高頻成分增多,低頻部分有小幅波動,有不穩(wěn)定趨勢;

從臨界空化到嚴(yán)重空化階段,其振幅大幅度增大。

4 結(jié)束語

由于目前業(yè)界對空化狀態(tài)下高比轉(zhuǎn)速離心泵壓力脈動的研究較少,并且缺乏空化階段隔舌安放角對隔舌處壓力脈動影響的研究,筆者采用ANSYS CFX軟件對不同隔舌安放角(28°、29.8°、30°)的離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了隔舌安放角對離心泵空化狀態(tài)下壓力脈動的影響,得到了其外特性和壓力脈動特征。

研究結(jié)論如下:

(1)空化過程中,離心泵出口、隔舌等位置的壓力脈動的幅值明顯高于進(jìn)口位置,泵內(nèi)流動的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在中、下游;其中,隔舌部分的壓力脈動較為敏感,壓力脈動幅值最大;

(2)在隔舌安放角28°～32°范圍內(nèi)發(fā)生空化時,在相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,離心泵的揚程和效率越高;隨著隔舌安放角的增大,離心泵在空化條件下的性能有所提高;

(3)隨著空化的加劇,離心泵隔舌處的壓力脈動幅值增大;但在嚴(yán)重空化狀態(tài)下,隔舌安放角越大,壓力脈動幅值越小,整體更穩(wěn)定。因此,通過適當(dāng)增大隔舌安放角能有效地穩(wěn)定離心泵壓力脈動。

在后續(xù)的工作中,筆者還將研究更大范圍的隔舌安放角對壓力脈動的影響,以及不同比轉(zhuǎn)速離心泵空化狀態(tài)下的壓力脈動特性。