離心泵葉輪非定常入流及激勵特性研究現狀

劉凱

摘要：指出了離心泵葉輪的非定常入流特性對其流動誘發壓力脈動、振動特性影響顯著。對葉輪的非定常入流特性進行了全面分析，闡述了其目前研究現狀，并總結了非定常入流性能的控制及改善措施。進一步展望了離心泵葉輪非定常入流特性的發展趨勢，為相關研究的繼續深入提供參考。

關鍵詞：離心泵葉輪；非定常入流；激勵特性；研究現狀

中圖分類號：TH311

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22015203

1 引言

離心泵作為典型、通用的流體機械，在國防、核能等領域中屬關鍵設備，隨著用途特殊化，運行條件極端化，運行工況多樣化，泵的持續、穩定、安全運行要求也日益嚴苛。隨著泵朝向大型化、高速化、高功率密度方向發展，泵的振動噪聲成為目前研究的熱點問題，也是設計過程中面臨的難點和新挑戰。尤其是具有極高隱蔽性要求的水下軍事裝備，低振動噪聲特性是泵首要設計要求，其振動噪聲能量級瓶頸的突破是目前泵領域亟待解決的難題。離心泵葉輪進口存在復雜的流動結構，包括口環間隙泄漏流、回流、二次流等，其將對主流產生明顯影響，進而將對泵內流動誘發的壓力脈動、振動特性產生影響。因此，離心泵葉輪非定常流動特性的研究具有顯著的學術及工程價值。

2 國內外研究現狀

2.1 口環泄漏流動的研究

口環間隙泄漏流是葉輪進口關鍵的流場結構。潘中永等 [1]通過數值模擬和試驗，研究了葉輪口環間隙對離心泵性能的影響，設計了包含前后泵腔在內的全流場模型，基于RNG k-ε湍流模型，建立了3種口環方案，從湍動能、渦量和徑向力角度，分析了口環間隙對離心泵全流場水力效率和機械效率的影響。張金鳳 等[2]基于在小流量工況下運行時離心泵葉輪進口會產生進口回流現象，采用標準k-ε湍流模型，應用ANSYS CFX軟件對不同工況下低比轉速離心泵進口處的三維湍流場進行了數值模擬，分析了流場內的速度分布。周嶺 等[3]針對典型的150QJ20型深井離心泵，設計了3種不同進口邊位置的葉輪。對不同進口邊位置的葉輪出口斷面的壓力場、湍流場和速度場進行了比較，并結合試驗分析了進口邊位置對深井離心泵水力性能的影響。牟介剛 等[4]通過對農用離心泵的汽蝕性能進行研究，建立了離心泵汽蝕余量的理論計算方程，并分析了汽蝕余量與葉輪口環間隙大小之間的關系。

國外方面，Sivo J M等 [5]研究了離心泵的前蓋板口環出口-進口泄漏產生的力，以及渦流制動器對轉子水力特性的影響。實驗數據表明渦流制動器可以有效地減少低流速下破壞穩定的切向力。Uy R V等[6]通過把泄漏的幾何路徑從圓錐形的形狀修改為典型的弧形設計，研究了其對泵的影響，發現只有交叉耦合的部分受泄漏路徑幾何變化的影響。Baskharone E A等[7]計算了作用于泵葉輪的流體-前蓋板相互作用力，該作用力繞泵殼向前，并且推導了和轉子動力特性的相互作用。Uy R V等[8]研究了離心泵因葉輪出口至進口段泄漏引起的不穩定的力。Guinzburg等[9]研究了一種流體作用力決定轉子動力特性穩定性和離心泵性能的動靜干涉問題。重點研究了離心泵轉動部件葉輪的前蓋板和靜止部件泵殼之間的出口至進口段泄漏引起的葉輪所受作用力。

國內外關于葉輪出口至進口段泄漏的研究數量較葉輪進口區域內其他部件多，但也非常有限，僅提供了葉輪前蓋板和泵殼之間間隙對固壁的激勵特性，沒有將流動特性與壓力脈動和振動特性進行聯系。

2.2 離心泵進口區域流動的研究

袁壽其等[10]基于有限體積方法，采用標準k-ε湍流模型，應用ANSYS CFX軟件對不同工況下低比轉速離心泵進口處的三維湍流流場進行了數值模擬。通過在進口流場中設置大量監測點，采集速度變化數據，對回流發生和發展過程中進口處的回流旋渦形態和流場速度分布進行了分析。朱榮生[11] 針對某低比轉數雙吸離心泵在小流量工況下出現回流的問題，利用CFD技術對雙吸泵及吸水室內部流場進行數值模擬研究，并提出定點速度值分析法，模擬流場測試試驗中采用的動態探針采樣測試系統，對回流問題進行研究。針對葉輪進口相應測試點在不同流量下的速度變化進行統計分析，發現其變化規律和理論分析結果與以往文獻中試驗總結的規律變化一致。黃建德[12]對不同葉片進口角、葉片數、不同葉頂間隙的開式和閉式離心葉輪共12種葉輪的進口流場和回流發生情況進行了探針的動態測試和可視化觀察。理清了上述葉輪參數對進口回流初始流量和進口流場的影響。李意民等 [13]在實驗的基礎上用動力學理論對離心葉輪機械入口的復雜流動進行了研究。把離心葉輪入口流動看成是保守系統，在此基礎上建立了理想流動的自治系統。在相平面內初步討論了離心葉輪入口流動的結構。

總體來看，國內關于離心泵進口段的流動研究多數運用商業軟件和實驗配合的手段模擬和測量外特性；國外對于離心泵進口段的研究集中于揭示旋渦、二次流等流動現象對于固壁的作用力，以及其他進口段流動特征與其影響結果之間的關系。

2.3 進口不良流動的控制

譚磊等[14]基于水力機械基本方程，建立了前置導葉離心泵的損失計算模型，將前置導葉離心泵的損失分為葉輪損失、前置導葉損失和蝸殼損失三部分。完成了不同工況、不同預旋角度下裝有前置導葉的XA150/32型離心泵外特性試驗。馮民權等 [15]運用數值模擬和物理試驗相結合的方法對導流板的最佳布置方式和導流效果進行研究。數值模擬計算的結果表明：多組次傾斜放置的導流板群所起的導流護岸作用明顯。王海民等[16]運用軸流泵孤立葉片設計方法，設計了基于Gottingen翼型的前置導流葉片，并對離心泵預旋調節的基本規律及調節機理進行了試驗研究。發現單吸離心泵采用前置導葉長弦端靠近中心軸的安裝方式對離心泵外特性的改善效果要優于前置導葉短弦端靠近中心軸的安裝方式。王海民等[17]為了優化離心泵運行工況調節，運用葉輪機械設計和前置導葉預旋調節的基本理論，在整流片和Gottingen-364翼型的基礎上，設計出兩種不同翼型的前置導葉預旋調節裝置，研究了不同翼型前置導葉正預旋對離心泵水力特性的影響。曹樹良等[18]借鑒傳統風機前置導葉調節的經驗，提出一種全新的適用于離心泵前置導葉預旋調節的空間導葉水力設計方法，該方法假定前置導葉出口的流體滿足等速度矩條件，通過四次分布函數給定葉片安放角沿軸面流線的分布規律來控制葉片的空間形狀，采用逐點積分法進行葉片骨線繪型，在圓柱展開面上對葉片骨線雙面加厚完成三維空間導葉的水力設計。endprint

Bird G A[19]在渦輪分子泵的二維流動中運用直接模擬Monte Carlo法，結果表明：把轉子作為第一級的常規泵會在泵進口處的真空室產生不可忽略的混亂流動。在轉子前面加一個前置導葉，相當于一個靜子部件，即可無不利影響地減少這種非定常流動。Aissa，Walid A[20]所在的South Valley大學的能量高級學科的流體實驗室通過分析和實驗對基本離心泵的性能進行了研究，主要通過實驗的手段改變不同的進口條件對離心泵性能的影響。

國內關于前置導葉的研究集中在前置導葉對泵性能的影響，沒有對前置導葉對于葉輪進口區域流動的影響進行系統的研究；國外對于前置導葉的研究更加偏于理論分析，也分析了前置導葉對于進口流動的影響，但數量較少。

3 發展趨勢

離心泵葉輪進口區域的流動特性對于固壁的作用力、壓力脈動以及振動特性的影響較大，因此對于這一區域的研究也日益重要，由國內外發展現狀可知，離心泵葉輪進口區域的發展會向著揭示該區域的流動機理，建立該區域的流動與壓力、振動的關系，形成相應的設計方法以及完善抑制該區域二次流、旋渦、高低能量流體碰撞融合效果的方法。

4 結語

離心泵進口的非定常流動特性對泵的能量性能、空化性能、激勵特性都將產生顯著影響，然而相關研究的廣度、深度都較為欠缺，缺乏完整的進口流動及激勵理論，未能建立起進口流動與主流的相互作用關系。此外，大量研究成果僅從數值計算角度對進口流動進行研究，缺乏相應的實驗驗證，比如進口非定常流動的PIV、LDA實驗。因此，對于離心泵進口非定常流動及激勵特性而言，還需要進行大量的研究工作，通過建立內流的相互作用關系為離心泵的優化設計提供方向。

參考文獻：

[1]潘中永，陳士星，張大慶，等. 葉輪口環間隙對離心泵性能影響的模擬和試驗[J]. 流體機械，2012（11）：10～14.

[2]張金鳳，梁 赟，袁建平，等 .離心泵進口回流流場及其控制方法的數值模擬[J]. 江蘇大學學報，2012（4）：402～407.

[3]周 嶺，施衛東，陸偉剛，等. 葉輪進口邊位置對深井離心泵水力性能的影響[J]. 農業機械學報，2012（3）：78～82.

[4]牟介剛，蘇苗印，張孝風，等. 葉輪口環間隙對農用離心泵汽蝕性能的影響[J]. 農機化研究，2010（11）：25～29.

[5]Sivo J M，Acosta A J，Brennen C E，et al. The Influence of Swirl Brakes on the Rotordynamic Forces Generated by Discharge-to-Suction Leakage Flows in Centrifugal Pumps[J]. Journal of Fluids Engineering，1995，117（1）：104～108.

[6]Uy R V，Bircumshaw B L，Brennen C E. Rotordynamic Forces from Discharge-to-Suction Leakage Flows in Centrifugal Pumps ： Effects of Geometry[J]. Jsme International Journal，1997，41（1）：208～213.

[7]Baskharone E A，Daniel A S，Hensel S J. Rotordynamic Effects of the Shroud-to-Housing Leakage Flow in Centrifugal Pumps[J]. Journal of Fluids Engineering，1994，116（3）：558～563.

[8]Uy R V，Bircumshaw B L，Brennen C E. A Parametric Evaluation of the Effect of Inlet Swirl on the Rotordynamic Forces Generated by Discharge-to-Suction Leakage Flows in Shrouded Centrifugal Pumps[J]. Iron—binary Phase Diagrams，1997，3（3）.

[9]Guinzburg A，Brennen C E，Acosta A J，et al. Experimental Results for the Rotordynamic Characteristics of Leakage Flows in Centrifugal Pumps[J]. Journal of Fluids Engineering，1994，116：1（1）：110～115.

[10]袁壽其，梁 赟，袁建平，等. 離心泵進口回流流場特性的數值模擬及試驗[J]. 排灌機械工程學報，2011（6）：461～465.

[11]朱榮生，歐鳴雄. 低比轉數雙吸離心泵回流問題的CFD研究[J]. 農業機械學報，2009（4）：82～85.

[12]黃建德. 離心泵葉輪參數對進口回流的影響[J]. 工程熱物理學報，1998（4）：449～453.

[13]李意民，謝和平，李江林，等. 離心葉輪入口流動的動力學描述[J]. 中國礦業大學學報，1998（2）：132～134.

[14]譚 磊，曹樹良，桂紹波，等. 前置導葉離心泵的損失建模及試驗[J]. 水力發電學報，2011（4）：191～196.

[15]馮民權，范術芳，鄭邦民，等. 導流板的布置方式及其導流效果[J]. 武漢大學學報（工學版），2009（1）：87～95.endprint

[16]王海民，林 浩，黃 雄，等. 基于Gottingen翼型的離心泵前置導葉預旋調節試驗[J]. 農業機械學報，2012（11）：129～133.

[17]王海民，周裁民，黃 雄，等. 不同翼型前置導葉正預旋對離心泵性能影響[J]. 排灌機械工程學報，2012（6）：660～664.

[18]曹樹良，譚 磊，桂紹波. 離心泵前置導葉設計與試驗[J]. 農業機械學報，2010（S1）：1～5.

[19]Bird G A. Effect of inlet guide vanes and sharp blades on the performance of a turbomolecular pump[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A Vacuum Surfaces & Films，2011，29（1）.

[20]Aissa W A. Effect of Inlet Conditions on Centrifugal Pump Performance[J]. International Journal of Fluid Mechanics Research，2009，36（2）：97～113.

Abstract： The unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump impeller have a significant effect on the flow induced pressure pulsation and vibration characteristics. In this paper， the unsteady inflow characteristics of the impeller are summarized， and the current research status is discussed. Besides， the control and improvement measures of unsteady inflow performance are summarized. Finally， the development trend of the unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump is analyzed， and the direction of the research is further studied.

Key words： centrifugal pump； unsteady inflow； excitation characteristics； research statusendprint