葉頂間隙大小對螺旋離心泵內部壓力脈動的影響

張 華，陳 斌，王炳祺，史長彪，沈登武

（1. 合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009；2. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013；3. 藍深集團股份有限公司，南京 211500）

葉頂間隙大小對螺旋離心泵內部壓力脈動的影響

張 華1,2，陳 斌1※，王炳祺1，史長彪3，沈登武3

（1. 合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009；2. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013；3. 藍深集團股份有限公司，南京 211500）

葉頂間隙大小是影響半開式螺旋離心泵內外特性的重要因素之一，為充分探究葉頂間隙大小對其內外特性的影響程度及作用機理，該文以一臺比轉速237的單葉片螺旋離心泵為研究對象，通過設計葉頂間隙專用調節機構，分別調整葉頂間隙大小至0.3、0.5和0.8 mm，與葉輪外徑的比值分別為0.13%、0.22%和0.35%。針對3種葉頂間隙大小情況，同時進行外特性試驗和壓力脈動試驗研究。壓力脈動的監測點包括葉輪進口邊、葉輪中部、蝸殼第三斷面和蝸殼隔舌附近。結果表明葉頂間隙大小與葉輪平均直徑的比值應介于0.13%～0.22%之間。同時，結合壓力脈動試驗獲得的實測壓力波形圖、壓力系數波形圖及頻域圖，分析了單葉片螺旋離心泵內部壓力脈動的規律，為半開式螺旋離心泵的減振降噪提供參考和借鑒。

離心泵；葉片；葉輪；螺旋葉輪；葉頂間隙；外特性；壓力脈動

0 引 言

單葉片螺旋離心葉輪具有較強的通過能力和抗纏繞能力，主要應用于無損運輸和污水輸送等領域[1-3]。該類型葉輪具有葉片包角大、扭曲程度高[4]等特點，多采用半開式設計[5]，葉輪輪緣與底蓋板之間存在一定的間隙，該間隙不僅直接影響機組運行效率，對泵的內部流場物理結構及壓力脈動、振動等特性也有較大的影響[6-7]。施衛東等[8]以軸流泵為研究對象，討論了4種不同葉頂間隙大小對軸流泵外特性、葉輪出口軸面速度及環量的影響，發現葉頂間隙超過0.5 mm時，泵性能下降幅度明顯增大，并成功捕獲了葉頂泄漏渦。因此，研究葉頂間隙大小對單葉片螺旋離心泵性能的影響不僅具有實際工程意義，也具有較高的學術價值。單葉片螺旋離心葉輪由于非對稱葉片結構，在不同工況下，徑向力變化較大[9-10]，國內外學者逐漸對其展開深入的研究[11-14]。Han等[15]通過數值計算的方法，研究了單葉片螺旋離心泵的軸向力和徑向力，并給出了極值情況下的葉輪與蝸殼相對位置。Quan等[16]對單葉片螺旋離心泵的能量傳遞機理進行了分析。Scherbatenko等[17]研究了螺旋離心葉輪出口的絕對速度分布。Pei等[18-20]采用流固耦合與試驗相結合的方法，研究了單葉片葉輪進口的振動及變形情況，并引入波動量標準差概念分析了內部壓力脈動強度。Nishi等[21-23]研究了不同單葉片出口安放角對葉輪徑向力的影響，并通過設計專用試驗測量裝置，獲得了單葉片葉輪所受徑向力的情況。

本文以一臺比轉速ns=237的單葉片螺旋離心泵為研究對象，通過設計葉頂間隙專用可調裝置，設定3種葉頂間隙大小，進行外特性試驗，分析泵外特性性能與葉頂間隙大小之間的映射關系。同時，對葉輪進口邊、葉輪中部、蝸殼第三斷面及蝸殼隔舌附近進行壓力脈動監測[24-25]，通過時域圖和頻域圖的對比，分析葉頂間隙大小對單葉片螺旋離心泵內部脈動特性的影響。為單葉片螺旋離心泵的減振降噪提供參考和借鑒。

1 研究對象

1.1 水力設計

單葉片螺旋離心泵的設計流量（以下標“d”代表設計工況）Qd=190 m3/h，設計揚程Hd=9 m，轉速n=1 470 r/min，比轉速ns=237。葉輪采用保角變換法設計，葉輪與蝸殼的水力設計結果見表1。

1.2 結構設計

試驗樣機的結構設計如圖1所示，采用潛水排污泵機電一體化結構設計[26-27]。葉輪為錐度軸傳動，并通過螺釘緊固。

表1 葉輪及蝸殼設計結果Table 1 Impeller and volute design results

圖1 單葉片螺旋離心式潛水排污泵的結構總裝圖Fig.1 Structural assembly diagram of screw-centrifugal sewage pump with single blade

底蓋與蝸殼在徑向方向采用O型圈密封，并通過調節螺栓連接，葉頂間隙大小通過調節螺栓調整（此間隙可調結構已應用于實際工程，主要在水泵出廠安裝檢驗和維修保養時調節，在水泵正常運行時不會產生軸向移動，因此，不會對O型圈密封形成磨損。），其具體調節步驟為：

1）葉輪及蝸殼安裝到位后，將雙頭螺柱擰入蝸殼；

2）將調節螺栓擰入底蓋，使得調節螺栓的螺紋頭部伸出一定長度；

3）將底蓋裝到蝸殼上，安裝時注意使雙頭螺柱穿過調節螺栓的內孔；

4）將緊固螺母擰入雙頭螺柱的下端；

5）利用塞尺測量葉片頂部至底蓋的最小距離，調節螺栓控制底蓋至蝸殼的距離，從而控制葉頂間隙大小，當距離調節到需要大小時，擰緊緊固螺母。

2 試驗方法

在符合國家標準的2級精度開式試驗臺上進行外特性試驗。首先將試驗泵的葉頂間隙調整到較大值，水泵通電，點動試車，觀察空開電流及葉輪旋轉時聲音的變化，判斷葉輪與底蓋之間是否發生刮擦，并利用塞尺檢查葉頂間隙大小。最終，確定最小葉間隙為0.3 mm。將泵安裝上管路系統，從流量調節閥關死至敞開重復試驗3次，每次間隔采集13個數據點以上，在確定試驗的精度及可重復性后，確定試驗泵的最優工況點。

安裝高頻潛水壓力傳感器，對0.3、0.5、0.8 mm 3種葉頂間隙情況下（葉頂間隙大小與葉輪平均直徑的比值分別為0.13%、0.22%、和0.35%）的壓力脈動進行研究。傳感器從泵外部通過螺紋孔連接至底蓋上，并控制傳感器端面不超過底蓋內部錐面，保證對流場不造成破壞。每次僅測量8個相同或相近流量下的數據，即0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4Qd工況。壓力脈動數據采集儀為華中科技大學開發的HSJ-2010型號水力機械綜合測試儀[28]。壓力傳感器采樣頻率設置為8192，各工況采樣時間為30～50 s[29-30]。利用鍵相技術，完成對整周期數據樣本的分離。4只壓力傳感器的布置方式如圖2所示，傳感器Pre1安裝在葉輪進口邊附近，傳感器Pre2靠近葉輪中部，傳感器Pre3處于蝸殼第三斷面的中間截面上，傳感器Pre4為蝸殼隔舌附近。

圖2 四只壓力傳感器的布置位置Fig.2 Location of four pressure sensors

3 結果與分析

3.1 外特性結果

圖3為3種葉頂間隙大小情況下的外特性性能對比。

圖3 不同葉頂間隙外特性性能對比Fig.3 External characteristic comparison of different tip clearances

試驗中測量得到的最優工況（以下標“opt”代表最優工況）為：流量Qopt=196.9 m3/h，揚程Hopt=9.05 m，功率Popt=6.84 kW，效率ηopt=70.92%。從圖3中可以看出，葉頂間隙大小的改變對流量-揚程、流量-功率和流量-效率曲線的走勢規律影響不大，但隨著葉頂間隙的增加，揚程、功率及效率均出現一定程度的下降，通過數據統計發現，在間隙由0.3 mm變為0.5 mm時，1.0Qd工況下，揚程及效率分別下降0.74 m和3.6%；當間隙從0.5 mm變為0.8 mm時，1.0Qd工況下，揚程及效率分別下降1.16 m和5.3%。其中，0.3 mm為試驗所用泵在旋轉時不發生刮擦的最小間隙；當間隙超過0.5 mm時，泵性能下降幅度過大。因此，試驗研究所用螺旋離心泵的葉頂間隙大小應不超過0.5 mm，即葉頂間隙的許用范圍為0.3～0.5 mm，與葉輪平均直徑的比值范圍為0.13%～0.22%。

3.2 壓力脈動結果

定義壓力脈動系數P*為

式中Pi為任意時刻的實測壓力，kPa；Pave為所取樣本長度上的平均壓力值，kPa。

定義時間系數t*為

式中ti為任意時刻，s；T為葉輪轉過一周的時間長度，s。

定義頻率系數NF為

式中f為傅立葉變化求得的任意頻率值，Hz；F為葉輪的轉頻（因為葉片為1枚，因此，轉頻與葉頻相同），Hz。

對每個壓力傳感器獲得的數據中，截取50個整周期的數據進行傅立葉變化，獲得壓力脈動頻譜圖；并從該數據中截取2個整周期進行壓力脈動實測波形圖和壓力脈動系數波形圖的繪制。由于泵內部各點處的壓力大小不同，無法反應出各點的壓力脈動強度。因此，本文選擇壓力系數波形圖表述，壓力波形系數越平緩，代表壓力脈動誘導水力振動和噪聲的程度越小。

圖4為壓力傳感器Pre1處的測試及分析結果。從圖4a可以看出3種葉頂間隙大小情況下，實測壓力的波形走勢基本一致。在葉頂間隙大小為0.3和0.5 mm時，實測壓力波形圖上壓力的極大值與極小值分別相互接近，但葉頂間隙大小為0.8 mm時，壓力的極大值變小，而壓力的極小值變大，其主要原因為同一圓周角度上，葉片頂部的半徑最大，做功能力最強，隨著葉片的旋轉，當壓力面逼近測壓點時，所測壓力達到極大值。葉頂間隙增大時，會加劇葉片壓力面高壓流體向吸力面的泄漏程度，從而導致壓力極大值降低，壓力極小值增大。因此，葉頂間隙增大雖然導致外特性性能的下降，但對葉頂間隙內的汽蝕能夠起一定的抑制作用（受研究條件的限制，該文未對葉頂間隙內的汽蝕現象進行深入研究，尚不清楚葉頂間隙內的汽蝕程度，無法得出汽蝕程度與葉頂間隙大小之間的關系，但該方向將會是以后研究的重點方向之一）。從圖4a還可以看出，在葉頂間隙大小為0.3和0.5 mm時，時間系數t*值介于0～0.6范圍內，實測壓力值均小于0，結合圖4b和公式（1）可知，這2種葉頂間隙下，葉輪旋轉一周內的平均壓力值大于0。隨著葉頂間隙增加至0.8 mm，由于葉頂附近壓力泄漏嚴重，使得壓力的平均值增加，從而導致壓力系數波動分布最為平緩。從壓力脈動頻域圖中發現，葉頂間隙大小的變化對前幾階主頻的頻率值基本無影響，前四階主頻分別為1F、2F、3F和4F，從各階主頻對應的幅值分析，葉頂間隙大小的增加使得主頻的幅值逐漸降低，但對二階、三階、四階主頻的幅值影響不大。

圖4 傳感器Pre1所測壓力脈動結果Fig.4 Pressure fluctuation test results of sensor Pre1

圖5為壓力傳感器Pre2處的測試及分析結果。在實測壓力波形圖及壓力系數波形圖中，間隙為0.3與0.5 mm時，二者的曲線基本重合，當間隙增加至0.8 mm時，正斜率曲線段內壓力實測值出現明顯下降，實測壓力的平均值也隨之下降，但間隙的變化并未對實測壓力中的極值產生明顯影響，因此，在壓力系數波形圖中，0.8 mm間隙情況下，壓力系數的極大值最大，極小值最小。根據鍵相標記點和橫坐標時間軸位置，圖6給出了時間系數t*1=0.418和t*2=0.603時葉輪與傳感器Pre2（標記點“×”）之間的相對位置[31]，t*1=0.418時對應了壓力極大值，可知當測壓點極度逼近葉片壓力面時，壓力達到最大值；t*2=0.603時對應壓力極小值，此時測壓點處于間隙內部。t3=0.750時，間隙剛好轉過測壓點，隨著葉頂間隙大小的增加，葉頂泄漏流動增強，泄漏流與主流發生卷吸形成泄漏渦，泄漏渦繞過測壓點，造成壓力脈動在經歷從極小值逐漸上升的過程中，出現壓力突然小幅下降后回升的現象，如圖5a中橢圓虛線區域所示。

從圖5c頻域圖中還可看出，除主頻幅值隨著間隙增加略有下降外，其他階次主頻的幅值基本不變。對比壓力傳感器Pre1位置，Pre2位置在對應葉輪倍頻下的幅值更大，且5～8整數倍倍頻被明顯捕捉，其主要原因為Pre2位置為葉輪中部區域，葉片的直徑大，做功能力強，且易受周邊葉片的影響。

圖5 傳感器Pre2所測壓力脈動結果Fig.5 Pressure fluctuation test results of sensor Pre2

圖6 、下葉輪與測壓點Pre2的相對位置Fig.6 Relative position between impeller and pressure sensor Pre2 atand

圖7、圖8所示分別給出了蝸殼第三斷面（傳感器Pre3位置）和蝸殼隔舌附近（傳感器Pre4位置）的壓力脈動測試及分析結果，兩者的實測壓力波形圖走勢相反，但2個監測點位置存在以下共性：1）0.3與0.5 mm情況下的實測壓力曲線基本重合，當間隙達到0.8 mm時，實測壓力曲線整體向下平移；2）3種間隙大小情況下的壓力系數波形基本重合，若以壓力系數來判斷壓力脈動程度，則間隙大小對蝸殼第三端面與隔舌基本沒有影響；3）1F為主頻，2F為次頻，當間隙從0.3 mm變化到0.5 mm時，主頻幅值稍有下降，當間隙從0.5 mm變化到0.8 mm時，主頻幅值基本穩定不變；次頻幅值基本不隨間隙大小而變化。

圖7 傳感器Pre3所測壓力脈動結果Fig.7 Pressure fluctuation test results of sensor Pre3

圖8 傳感器Pre4所測壓力脈動結果Fig.8 Pressure fluctuation test results of sensor Pre4

4 結 論

1）間隙由0.3 mm變為0.5 mm時，設計工況下，揚程及效率分別下降0.74 m和3.6%；當間隙從0.5 mm變為0.8 mm時，設計工況下，揚程及效率分別下降1.16 m和5.3%。因此，結合壓力脈動特性與外特性結果，針對本文試驗用泵，認為可允許的間隙范圍為0.3～0.5 mm，與葉輪平均直徑的比值范圍為0.13%～0.22%，為以后的研究提供了參考和借鑒。

2）葉輪進口邊附近受負壓作用較大，增大葉頂間隙，壓力泄漏嚴重，增加了周期內底蓋表面監測點處的平均壓力，導致0.8 mm情況下，壓力系數波形圖最為平緩。

3）相同整數倍轉頻下，葉輪中部比葉片進口邊的幅值大。在0.8 mm間隙情況下，壓力脈動在經歷從極小值逐漸上升的過程中，出現壓力突然小幅下降后回升的現象。

4）蝸殼第三斷面和蝸殼隔舌附近的實測壓力波形走勢相反，葉頂間隙大小對兩個位置下的壓力系數波形圖影響不大。

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TH313

A

1002-6819(2017)-01-0084-06

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2016-06-29

2016-11-11

安徽省合肥工業大學“秋實計劃”A類計劃項目（JZ2015 QSJH0246）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（JZ2015HGBZ 0129）；江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心開放基金資助（NR CP-201603）。

張 華，男（漢族），江蘇南京人，助理研究員，博士，主要從事水力機械內部流動研究。合肥 合肥工業大學機械工程學院，230009。Email：zhh091088@126.com

※通信作者：陳 斌，男（漢族），江蘇靖江人，研究員，博士，博士生導師，主要從事流體機械及工程研究。合肥 合肥工業大學機械工程學院，230009。Email：chenbin21cn@126.com