交錯布置葉片對雙吸離心泵壓力脈動特性的影響研究

宋冬梅，雷明川，費 宇，劉雪垠

（1. 四川省機械研究設(shè)計院，成都 610063；2. 西華大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，成都 610039）

0 前言

雙吸泵作為離心泵的一種重要形式，因其具有揚程高、流量大、自平衡軸向力等特點，廣泛應(yīng)用于熱力發(fā)電及核能發(fā)電廠的輔助系統(tǒng)、石油化工等工業(yè)過程[1]。其壓力脈動會引起機組的振動、噪聲等危害，嚴(yán)重時甚至損壞整個系統(tǒng)。隨著雙吸離心泵轉(zhuǎn)速不斷增大、升壓比不斷增加，機組的運行穩(wěn)定性問題更為突出[2]。

離心泵壓力脈動研究表明，離心泵內(nèi)部動靜干涉作用和葉輪不均勻出流是產(chǎn)生較大壓力脈動的主要根源[3]。Arndt N，Acosta A J等人[4]通過測試二維離心泵的壓力脈動，得出最大壓力脈動出現(xiàn)在導(dǎo)葉出口，脈動值與導(dǎo)葉數(shù)和導(dǎo)葉角度密切相關(guān)的結(jié)論。PARRONDO J，GONZALEZ J等人[5]通過對離心泵進行試驗與數(shù)值模擬研究，表明壓水室壓力脈動以葉頻為主；當(dāng)偏離額定工況時，該脈動幅值顯著增大。夏偉[6]通過對某雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動進行試驗研究，指出低頻壓力脈動在半螺旋形流道內(nèi)較為劇烈，壓水室壓力脈動在隔舌區(qū)域最為強烈。

到目前為止，在控制和改善雙吸離心泵壓力脈動問題上，大多數(shù)學(xué)者都采用上述諸如改變導(dǎo)葉數(shù)和導(dǎo)葉角度、調(diào)節(jié)運行工況、改變隔舌位置與葉輪出口之間的間隙及隔舌形狀等方法，而很少有人研究葉輪結(jié)構(gòu)形式變化對雙吸離心泵壓力脈動特性的影響。

基于上述研究，利用修正后的RNGk-ε湍流模型分別對兩種方案的葉輪全流場進行三維非定常數(shù)值模擬，揭示不同葉片布置方式的雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動特性，為高轉(zhuǎn)速雙吸離心泵的優(yōu)化設(shè)計、提高機組運行穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 計算模型

本文數(shù)值計算模型為汽輪機組供油系統(tǒng)中的主油泵，其任務(wù)是向整個油系統(tǒng)提供壓力油。該主油泵葉輪出口直徑D2=374mm，葉片數(shù)z=6，轉(zhuǎn)速n=3600r/min，設(shè)計工況流量6500l/min，流動介質(zhì)為22#透平油，介質(zhì)密度為：ρ=875kg/m3，動力粘度為：μ=0.0016Kg/（m·s）。不同葉輪形狀如圖 1所示，方案（a）為雙吸泵原模型葉輪，方案（b）為將原模型兩側(cè)葉片交錯30°布置后的葉輪模型。

2 數(shù)值計算

2.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

計算域模型包括葉輪、泵腔、蝸殼三部分。在ICEM-CFD中采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對葉輪、泵腔、蝸殼分別進行網(wǎng)格劃分。對葉片頭部等重要區(qū)域進行局部加密。交錯布置葉片葉輪是在對稱布置葉片葉輪的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)而成，故兩種模型的網(wǎng)格總數(shù)和節(jié)點數(shù)相同，分別為 1286565和 272930，網(wǎng)格如圖 2所示。

雙吸離心泵葉輪兩側(cè)采用壓力進口，定義入口靜壓力0.1MPa (相對壓力)，蝸殼出口壓力未知，因此取質(zhì)量流量出口條件，出口質(zhì)量流量為94.79kg/s（最優(yōu)工況時）。對于葉輪與泵腔之間的動靜耦合交界面，采用frozen-rotor格式處理。壁面采用無滑移邊界條件。

圖1 對稱和交錯布置葉片的葉輪形狀

圖2 全流道網(wǎng)格圖

2.2 數(shù)值求解方法

考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，采用RNGk-ε湍流模型，可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動[7]。在進行瞬態(tài)數(shù)值模擬計算時，動靜干涉面采用瞬態(tài)動靜法（Transient Rotor-Stator）。每個旋轉(zhuǎn)周期平均分成120個時間步，每個時間步長為 1.389e-4s，即葉輪在每個時間步長轉(zhuǎn)過 3°。離心泵在前 4個旋轉(zhuǎn)周期已經(jīng)收斂，達到穩(wěn)定狀態(tài)，故選取第5個旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)作為采樣對象。

2.3 壓力脈動監(jiān)測點的選取[8]

壓力脈動監(jiān)測點需要設(shè)定在流道中壓力脈動具有代表性的位置。為了獲取蝸殼內(nèi)壓力脈動情況，分別在蝸殼內(nèi)部流道的中截面上布置4個監(jiān)測點，分別記為點P1～P4（間隔均為90°），如圖3所示。

圖3 蝸殼區(qū)域監(jiān)測點分布圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

對非定常湍流數(shù)值模擬結(jié)果進行后處理，讀取蝸殼出口和蝸殼內(nèi)各監(jiān)測點在不同時刻的靜壓值，得到雙吸離心泵在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動的時域分布；再采用快速傅里葉變換（FFT），利用Origin軟件可得到蝸殼出口和各監(jiān)測點的頻域分布，從而獲得壓力脈動的主頻和脈動幅值。限于篇幅，僅對設(shè)計工況下（1.0Qd）兩種葉輪形式的雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動進行分析比較。

3.1 泵出口處壓力脈動

圖4為葉片交錯和對稱時離心泵蝸殼出口處的壓力脈動時域圖和頻域圖。從時域圖可知，交錯和對稱布置葉片時離心泵出口壓力脈動具有非常明顯的周期性。交錯布置葉片離心泵出口壓力脈動周期為對稱布置葉片時脈動周期的一半，而且壓力脈動的幅值大幅下降，最大幅值從0.165MPa下降到0.06MPa，降低63.64%，說明交錯布置葉片能有效降低離心泵出口的壓力脈動。從頻域圖可知，交錯布置葉片離心泵蝸殼出口處壓力脈動主頻為720Hz，而對稱布置葉片葉輪離心泵蝸殼出口壓力脈動主頻以360Hz為主。葉片交錯后相當(dāng)于葉片數(shù)增加1倍，故葉片交錯前后蝸殼出口處壓力脈動主頻第一主頻均為葉頻。

3.2 各監(jiān)測點處壓力脈動

圖5～圖6分別為最優(yōu)工況下兩種葉輪形式的離心泵蝸殼內(nèi)各個監(jiān)測點的壓力脈動時域圖和頻域圖，表1為兩種葉片布置下不同監(jiān)測點的壓力脈動峰值。從圖5可以看出，交錯布置葉片和對稱布置葉片時各監(jiān)測點處壓力脈動周期性非常明顯，交錯布置葉片離心泵的蝸殼內(nèi)壓力脈動周期為對稱布置葉片葉輪離心泵脈動周期的一半。葉片交錯后，監(jiān)測點P2和P4的壓力脈動波形基本不變，P1和P3的壓力脈動波形變化較大。交錯布置葉片離心泵蝸殼內(nèi)部各監(jiān)測點的壓力平均值比對稱布置葉片離心泵的壓力平均值明顯減小，而且壓力脈動振幅也明顯下降。

圖4 泵出口壓力脈動時域圖和頻域圖

圖5 壓力脈動時域圖

從圖6可以看出，葉片對稱布置時各監(jiān)測點的壓力脈動主頻都為360Hz葉頻，次頻為720Hz。交錯布置葉片離心泵各監(jiān)測點的壓力脈動主頻均為720Hz，次頻為1440Hz。由于葉片交錯后相當(dāng)于葉片數(shù)增加1倍，故交錯和對稱布置葉片離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動主頻均為葉頻，次頻均為2倍葉頻。由此說明葉頻及其倍頻是影響離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動的重要因素。

圖6 壓力脈動頻域圖

從表1中各監(jiān)測點壓力脈動峰值可以看出，葉片交錯前后蝸殼內(nèi)P1、P3點脈動幅值分別降低7.99%、14.43%，幅度減小不大。葉片交錯前后蝸殼內(nèi)P2、P4點脈動幅值分別降低68.70%、51.78%，幅度減小較大。說明交錯布置葉片能改善離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動特性，但是不同的部位改善的程度有所不同。

表1 兩種葉片布置下不同監(jiān)測點的壓力脈動峰值

4 結(jié)論

（1）兩種葉片布置方式的雙吸離心泵出口以及蝸殼內(nèi)部壓力脈動均具有明顯的周期性，交錯布置葉片離心泵出口壓力脈動周期為對稱布置葉片時脈動周期的一半，減小了壓力最大變化的次數(shù)，能使離心泵的運行更加穩(wěn)定。

（2）交錯和對稱布置葉片葉輪離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動主頻均為葉頻，次頻均為2倍葉頻。葉頻及其倍頻是影響離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動的重要因素。

（3）交錯布置葉片較對稱布置時各個監(jiān)測點處的壓力波動幅度明顯減小，脈動峰值有很大程度的降低，但在不同部位降低程度不同。交錯布置葉片能有效改善離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動特性。

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