郝 諭，周瑞平，魏 康，陳玉才

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著軍事信息技術(shù)的迅速發(fā)展，艦船如何避免被發(fā)現(xiàn)成為熱門研究課題，減振降噪是其核心問題。離心泵是艦船重要的輔助機(jī)械，蝸殼是離心泵重要的組成部分之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是研究艦用離心泵噪聲振動(dòng)特性的重要參數(shù)，艦用離心泵的性能特性是后續(xù)研究的理論基礎(chǔ)。因此，蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的深入研究對艦用離心泵性能及振動(dòng)噪聲的研究具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外對離心泵的研究正不斷完善。趙偉國等[1]研究擴(kuò)壓管位置對離心泵性能特性的影響，結(jié)果表明，擴(kuò)壓管位置主要影響葉輪出口及蝸殼流道中內(nèi)流場的變化。鄧強(qiáng)等[2]研究葉片數(shù)和葉片厚度對離心泵葉輪性能的影響，結(jié)果表明，葉片數(shù)影響葉輪截面靜壓力和小流量下湍動(dòng)能區(qū)域面積。隨著葉片數(shù)的增加，最大靜壓力值增大，壓力變化趨勢更加平緩。崔哲等[3]采用試驗(yàn)研究葉輪口環(huán)間隙對離心泵性能和振動(dòng)的影響，結(jié)果表明，間隙改變會(huì)使葉輪蓋板上的靜壓及軸向力發(fā)生變化；隨間隙的增加，振動(dòng)的頻域特性在高頻段更加明顯。楊澤江等[4]研究葉片包角對中比轉(zhuǎn)速離心泵振動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明，增大包角可減小離心泵的水力振動(dòng)。XU等[5]研究壁面粗糙度對離心泵空化性能的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)降低空化發(fā)展過程中的壁面粗糙度可有效抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著壁面粗糙度的增加，葉片表面的多個(gè)形核位點(diǎn)增加，葉片的低壓區(qū)域隨之增大。WANG等[6]研究短葉片周向位置布置對離心泵氣液兩相流動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明，在介質(zhì)為水的情況下，合理布置短葉片周向位置可消除低流量條件下離心泵的駝峰，可使葉輪內(nèi)的流速更加均勻，優(yōu)化泵的性能。目前，國內(nèi)外對艦用離心泵性能特性及振動(dòng)特性的研究主要集中在葉輪和隔舌的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對蝸殼截面形狀的研究則較少。

通過改變蝸殼截面形狀，為離心泵設(shè)計(jì)3種蝸殼型式；通過仿真計(jì)算，分析不同蝸殼型式對離心泵性能特性的影響。

1 計(jì)算模型建立

1.1 計(jì)算模型

以艦用25CL-30單級單吸立式離心泵為研究對象，該泵設(shè)計(jì)流量為36 m3/h,揚(yáng)程為30 m，轉(zhuǎn)速為2 860 r/min。泵軸直徑為17.5 mm，葉輪進(jìn)口直徑為75.0 mm，出口直徑為160.0 mm,出口寬度為12.0 mm，比轉(zhuǎn)速為81。在葉輪、吸入段、壓出段及蝸殼基圓、各斷面面積、隔舌螺旋角、隔舌安放角和蝸殼出口面積相同的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)截面形狀為圓形、矩形和梯形的蝸殼，依次命名為A型、B型和C型(簡稱A型、B型和C型離心泵)，并對其性能特性進(jìn)行分析。3種型式的蝸殼通流截面形狀及三維模型如圖1所示。離心泵流體域模型如圖2所示(以A型蝸殼為例，B型和C型蝸殼類似)。

圖1 3種型式蝸殼通流截面及三維模型

圖2 A型離心泵全流體域模型

1.2 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用自適應(yīng)二叉樹法對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在完成網(wǎng)格劃分后對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測，劃分的網(wǎng)格可滿足后續(xù)計(jì)算要求。A型離心泵全流體域面網(wǎng)格數(shù)為536 314個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)為216 611個(gè)。計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 A型離心泵全流體域網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件

采用 Centrifugal模塊，選用其中的Flow模型，收斂精度為0.001，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法，湍流模型采用k-ε模型，方程離散方式采用二階高精度，選用Cavitation全空化模型。將吸入室的進(jìn)口面定義為壓力入口，壓力值為 101 325 Pa。計(jì)算周期為葉輪旋轉(zhuǎn)3圈，迭代步數(shù)為600，共180個(gè)時(shí)間步，對葉輪旋轉(zhuǎn)3個(gè)周期內(nèi)的流場進(jìn)行計(jì)算。將蝸殼出口面定義為體積流量出口，通過設(shè)置不同流量對不同工況的流場進(jìn)行模擬。

2 特性分析

通過仿真計(jì)算可得3種蝸殼型式離心泵在流量為0.5Q～1.5Q(Q為離心泵額定工況流量，即36 m3/h)工況的流量-揚(yáng)程曲線和流量-靜力矩曲線，如圖4所示。

圖4 3種蝸殼型式離心泵在各工況的特性曲線

通過式(1)～式(5)可計(jì)算3種蝸殼型式離心泵在流量為0.5Q～1.5Q工況的流量-總效率曲線，如圖5所示。

圖5 3種蝸殼型式離心泵在各工況的流量-總效率曲線

水力效率ηh計(jì)算公式為

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速。

容積效率ηV計(jì)算公式為

(2)

式中：ns為比轉(zhuǎn)速。

(3)

機(jī)械效率ηm計(jì)算公式為

(4)

總效率η計(jì)算公式為

η=ηmηVηh

(5)

隨著離心泵流量從18 m3/h變化至54 m3/h，3種蝸殼型式離心泵揚(yáng)程變化趨勢均為下降，在設(shè)計(jì)工況附近較為平緩。在流量為36 m3/h～40 m3/h的區(qū)域內(nèi)揚(yáng)程差別不大。在小流量工況條件下，B型泵揚(yáng)程較大。在大流量工況條件下，A型泵揚(yáng)程較大。在流量為18 m3/h～25 m3/h的區(qū)域內(nèi)，A型泵和C型泵揚(yáng)程基本一致。在流量為32 m3/h～54 m3/h的區(qū)域內(nèi)，B型泵和C型泵揚(yáng)程基本一致。

3種蝸殼型式離心泵的靜力矩曲線變化趨勢基本一致，在流量為18 m3/h～40 m3/h的區(qū)域內(nèi)，A型泵和C型泵基本一致。在流量小于29 m3/h時(shí),B型泵靜力矩較大。在流量為29 m3/h～40 m3/h的區(qū)域內(nèi)，3種蝸殼型式離心泵的靜力矩基本相同。在流量大于40 m3/h時(shí)，A型泵靜力矩較大，B型泵和C型泵基本一致。

3種蝸殼型式離心泵的總效率變化趨勢一致，隨著流量的增大先逐漸增大，達(dá)最大值后逐漸減小。B型和C型離心泵總效率曲線基本相同，在流量為43.2 m3/h時(shí)總效率達(dá)最大值，此后隨著流量的增大，總效率快速下降。A型泵在流量為46.8 m3/h時(shí)達(dá)總效率最大值，在流量為18 m3/h～43 m3/h的區(qū)域中總效率小于B型泵和C型泵，在流量為47 m3/h～54 m3/h的區(qū)域內(nèi)，A型泵總效率大于B型泵和C型泵，且下降趨勢平緩。在大流量工況條件下，B型和C型離心泵總效率下降較快，可能是由于在蝸殼中清水流量較大時(shí)，方形和梯形截面的蝸殼會(huì)產(chǎn)生大量渦旋消耗能量，致使水力效率下降。

3 蝸殼截面形狀對內(nèi)部流動(dòng)的影響

3.1 壓力場分析

3種蝸殼型式離心泵各工況的靜壓力流線云圖如圖6所示。離心泵從吸入口至葉片進(jìn)口，流道內(nèi)的靜壓具有逐漸減小的趨勢，葉輪吸入口是靜壓力最小的區(qū)域。從葉輪進(jìn)口至擴(kuò)散管出口處，流道內(nèi)的靜壓具有逐漸增大的趨勢，靜壓力最大值在擴(kuò)散管出口處。

圖6 3種蝸殼型式離心泵各工況的靜壓力流線云圖

在不同的蝸殼擴(kuò)散管出口流量下，離心泵葉輪和蝸殼流道中靜壓力變化趨勢一致，均為從離心泵吸入室至蝸殼擴(kuò)壓管出口處逐漸增大，靜壓力變化平緩，沒有突增或突減的現(xiàn)象，即沒有出現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。在進(jìn)口處，3種不同蝸殼擴(kuò)壓管出口流量的靜壓力流線云圖基本一致，表明蝸殼擴(kuò)壓管出口處流量對進(jìn)口靜壓影響不大。葉輪區(qū)域靜壓力值基本一致，表明蝸殼擴(kuò)壓管出口處流量對葉輪的靜壓影響不大。隨著蝸殼擴(kuò)壓管出口流量的增大，蝸殼擴(kuò)散管段的高壓區(qū)域面積減小，蝸殼擴(kuò)散管出口壓力減小。

在小流量工況條件下，3種蝸殼型式離心泵在隔舌附近的葉輪流道流線出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，可能是由于離心泵的結(jié)構(gòu)特征所造成，隔舌的存在使流體在此處的流場發(fā)生改變。在相同的流量下，進(jìn)水口及葉輪區(qū)域壓力分布相似，蝸殼區(qū)域高壓區(qū)域面積依次增大，說明蝸殼截面形狀主要對蝸殼流域的壓力場產(chǎn)生影響。

3.2 速度場分析

3種蝸殼型式離心泵各工況的速度矢量流線云圖如圖7所示。離心泵中的流體流速先增大后減小，在葉輪出口區(qū)域速度達(dá)最大值，速度變化均勻。在小流量工況條件下，隔舌附近的葉輪流道流線出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，可能是導(dǎo)致離心泵小流量水力效率低下的原因。在離心泵蝸殼流域內(nèi)，流體流速逐漸變小，但其變化并不平緩，是由離心泵結(jié)構(gòu)的不對稱引起的。在壓力室與擴(kuò)壓管連接處，蝸殼方向和形狀出現(xiàn)變化，流道變寬，流體流經(jīng)此處方向突變，速度迅速變小，擴(kuò)壓管外部流速會(huì)大于內(nèi)部流速，原因在于蝸殼的中心線為漸開線，蝸殼的截面面積并非一直保持不變，且在連接處隔舌的存在會(huì)造成流道的形狀產(chǎn)生突變。

圖7 3種蝸殼型式離心泵各工況的速度矢量流線云圖

在不同的蝸殼擴(kuò)散管出口流量下，葉輪和蝸殼中的流體速度變化趨勢大致相同，不同蝸殼擴(kuò)壓管出口處流量與葉輪進(jìn)口的低速區(qū)域形狀相似，面積基本相同，說明蝸殼擴(kuò)壓管出口處流量對葉輪進(jìn)口處的流體流速影響不大。在葉輪出口段流體流速達(dá)最大值，隨后在蝸殼中流體流速逐漸降低。隨著蝸殼擴(kuò)壓管出口處的流量增加，蝸殼擴(kuò)壓管低速區(qū)域面積減小，蝸殼擴(kuò)壓管出口處流體速度降低。隔舌附近的葉輪流道的渦旋消失。

3種蝸殼型式離心泵速度矢量流線云圖分布大致相似，蝸殼截面形狀對流道內(nèi)流體的速度影響不大。相對于A型泵，B型泵和C型泵中的葉輪靠近隔舌處流道渦旋更加明顯，說明蝸殼截面形狀對葉輪內(nèi)流體流動(dòng)方向影響較大，進(jìn)而影響整個(gè)流道的水力消耗。

3.3 湍動(dòng)能分析

3種蝸殼型式離心泵各工況的湍動(dòng)能云圖如圖8所示。離心泵湍動(dòng)能在葉輪進(jìn)口處最大，在流體通過葉輪進(jìn)口后湍動(dòng)能會(huì)迅速下降，在葉輪區(qū)域逐漸增大，趨勢平緩，沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象。在葉輪出口處湍動(dòng)能較大。在蝸殼區(qū)域湍動(dòng)能逐漸減小，蝸殼壓力室區(qū)域湍動(dòng)能較大，擴(kuò)壓管區(qū)域湍動(dòng)能較小。

圖8 3種蝸殼型式離心泵各工況的湍動(dòng)能云圖

在不同的蝸殼擴(kuò)壓管出口流量下，離心泵湍動(dòng)能變化趨勢基本一致。隨著蝸殼擴(kuò)壓管出口流量的增大，葉輪出口區(qū)域湍動(dòng)能分布更加均勻。蝸殼區(qū)域的湍動(dòng)能較大區(qū)域面積減少，但在蝸殼隔舌區(qū)域會(huì)出現(xiàn)湍動(dòng)能突變的區(qū)域，因此在流量中等的條件下，湍動(dòng)能較小且有利于離心泵的性能特性。

3種型式離心泵隨著流量的增大，隔舌處流道湍動(dòng)能明顯增大，可能是由于隔舌會(huì)使流道的形狀發(fā)生突變，在隔舌附近流體會(huì)產(chǎn)生流向變化而產(chǎn)生紊流。相對于A型泵，B型泵和C型泵增大更加明顯，這種現(xiàn)象會(huì)造成水力效率的消耗，可能是B型泵和C型泵在大流量工況條件下效率迅速下降的原因。

3.4 空化分析

3種蝸殼型式離心泵各工況的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖9所示。在葉片進(jìn)口邊附近壓力最低，此處氣體體積分?jǐn)?shù)最大即空化現(xiàn)象最明顯，在葉輪流道內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。蝸殼壓力室外圍的氣體體積分?jǐn)?shù)小于蝸殼壓力室內(nèi)側(cè)的氣體體積分?jǐn)?shù)。蝸殼出口段的氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)最小值。

圖9 3種蝸殼型式離心泵各工況的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

不同蝸殼擴(kuò)壓管出口流量的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖基本一致，說明蝸殼擴(kuò)壓管出口流量對氣體體積分?jǐn)?shù)分布基本沒有影響，不會(huì)影響離心泵的空化現(xiàn)象。

3種蝸殼型式離心泵在同一流量下氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖基本一致，A型泵在蝸殼段略大于B型泵和C型離心泵，說明蝸殼截面形狀對離心泵的空化現(xiàn)象基本沒有影響。

4 壓力脈動(dòng)分析

在額定工況下，為研究蝸殼截面形狀對離心泵壓力脈動(dòng)的影響，在離心泵不同位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，如圖10所示，其中：P1為靠近隔舌的葉輪流道中間點(diǎn)；P2為隔舌中間點(diǎn)；P3、P4和P5為離心泵蝸殼流道中心點(diǎn)，均分布于蝸殼流道；P6為蝸殼流道與擴(kuò)壓管連接處中心點(diǎn)；P7為擴(kuò)壓管出口處中心點(diǎn)。

圖10 3種蝸殼型式離心泵監(jiān)測點(diǎn)分布

離心泵葉輪轉(zhuǎn)速為2 860 r/min，其軸頻為47.6 Hz，葉片數(shù)為6個(gè)，因此葉片的單葉頻為286 Hz。進(jìn)行非定常計(jì)算，得到離心泵10圈的仿真數(shù)據(jù)。為保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，取最后3圈的瞬態(tài)條件下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)作為結(jié)果分析。通過傅里葉變換可得各監(jiān)測點(diǎn)的頻域分布，如圖11所示。

圖11 3種蝸殼型式離心泵額定工況各監(jiān)測點(diǎn)的頻域特性

3種蝸殼型式離心泵的葉輪及蝸殼流道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力幅值均為下降趨勢，主要的壓力脈動(dòng)幅值頻率為300 Hz，即為1倍葉頻，次主頻發(fā)生在50 Hz、600 Hz和900 Hz，約1倍軸頻、2倍葉頻和3倍葉頻。3種蝸殼型式離心泵均表現(xiàn)為蝸殼流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值大于葉輪流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值，擴(kuò)壓管出口處的壓力脈動(dòng)幅值大于蝸殼中的壓力脈動(dòng)幅值。蝸殼流道的幅值較高可能是由于流體在經(jīng)過蝸殼時(shí)會(huì)有紊流產(chǎn)生，隔舌處會(huì)產(chǎn)生動(dòng)靜干涉。葉輪流道內(nèi)的幅值較低是由于葉輪流道內(nèi)沒有產(chǎn)生動(dòng)靜干涉的影響。監(jiān)測點(diǎn)2的壓力幅值較高，可能是由于該點(diǎn)位于隔舌處，此處存在動(dòng)靜耦合等多種復(fù)雜流動(dòng)狀況。監(jiān)測點(diǎn)7的壓力幅值最大，該點(diǎn)位于擴(kuò)壓管出口端，此處靜壓為離心泵最大的區(qū)域且該區(qū)域的流體流動(dòng)復(fù)雜，可能產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象。

在3種蝸殼型式離心泵相同的監(jiān)測點(diǎn)中，A型離心泵壓力脈動(dòng)幅值最小，C型離心泵壓力脈動(dòng)幅值最大，可能是蝸殼截面形狀的不同導(dǎo)致蝸殼中流體湍流及渦旋形成。

5 結(jié) 論

對艦用25CL-30離心泵外特性、壓力場、速度場、湍動(dòng)能和空化現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對離心泵進(jìn)行非定常計(jì)算，得到相應(yīng)的時(shí)域譜，再進(jìn)行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻域譜。主要結(jié)論如下：

(1)3種蝸殼型式離心泵外特性變化趨勢基本一致，B型和C型離心泵效率曲線基本相同。A型離心泵以最高效率向大流量區(qū)域偏移。B型和C型離心泵在小流量工況條件下效率略大于A型離心泵，在大流量工況條件下效率迅速下降。

(2)3種蝸殼型式離心泵在相同工況下條件靜壓分布、流線分布、流速分布、湍動(dòng)能分布和氣體體積分?jǐn)?shù)分布趨勢大致相同，表明蝸殼截面形狀不會(huì)影響離心泵的性能趨勢。A型離心泵蝸殼區(qū)域高壓區(qū)域面積最小，流線更平滑，湍動(dòng)能更小，表明不同的蝸殼截面形狀會(huì)影響葉輪流道及蝸殼流道的流場。3種蝸殼型式離心泵氣體體積分?jǐn)?shù)基本相同，表明蝸殼截面形狀不會(huì)影響離心泵空化現(xiàn)象。

(3)B型和C型離心泵的葉輪及蝸殼流道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力幅值均為下降趨勢，對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值依次增大。葉輪流道的監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值小于蝸殼流道監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值。