離心泵隔舌區域壓力脈動特性分析

程 偉，宋文武，萬 倫，晏 祝，侯 潔

(西華大學能源與動力工程學院，四川成都610039)

壓力脈動是由于泵內部空間的非對稱結構使其內部流動出現復雜的非定常特性，使泵不但產生靜態壓力而且還會產生動態壓力[1]。壓力脈動的出現是一個不好的信號，設備的振動和噪聲就是由于系統內壓力脈動引起的，嚴重時會損壞設備[2]。

當前，針對離心泵內因流體誘發壓力脈動的研究表明，離心泵內部流場的壓力脈動、徑向力與隔舌及隔舌與葉輪之間的間隙有關[3- 4]。竇唯等[5]分析了不同厚度隔舌對高速離心泵壓力脈動的作用，推導出流體激振力的幅值與其隔舌厚度成正比。劉厚林等[5]對多級離心泵各級導葉流道內壓力脈動規律進行了研究，發現壓力波動幅值隨泵級數增加而降低。袁壽其等[13]則對隔舌形狀展開研究，對比了2個不同形狀的隔舌對離心泵性能的影響。王洋等[6]分析了離心泵內部不穩定流動的原因，提出脈動源主要是隔舌所產生壓力脈動。MAJIDI[7]通過模擬離心泵內部流場發現，葉輪和蝸殼的內流場呈現強烈的周期性。施衛東等[8]的研究表明，離心泵性能與隔舌安放角有關，調整隔舌安放角更利于得出更優的離心泵模型。

本文重點研究了離心泵在3種工況下的壓力脈動特性，離心泵在0.8Q～1.2Q變流量工況下，葉輪內部流體的流動狀況，分析了導致離心泵壓力脈動特性，旨在為離心泵的優化設計和高效運行提供一定的建議與參考。

1 計算模型及數值求解方法

1.1 計算模型、網格劃分

離心泵的模型參數為:流量Q=120 m3/h，揚程H=40 m，轉速n=2 900 r/min，葉輪的葉片數為6片。計算區域包括進口段、葉輪、蝸殼和出口段4個部分。

本文利用商業軟件ICEM對整個計算區域進行網格劃分。為了使進入葉輪的流體更加合理，采用進口延長，同理蝸殼出口也進行延長處理。由于葉片扭曲度較高，所以采用加密非結構化網格，葉輪的網格單元數為2 270 000，蝸殼的網格單元數為1 020 000，整個水體模型總的網格單元數為4 440 000。網格無關性分析，取2 410 000與4 440 000網格進行對比分析，離心泵的揚程和效率穩定在1.5%以內。

圖1 網格劃分

為了監測離心泵內部壓力脈動的情況，分別取監測點P1，P2，P3，P4和P5。計算模型的隔舌位置及監測點示意圖如圖2所示。

圖2 監測點位置示意

1.2 湍流模型與非定常模擬設置

由于計算流體為不可壓流體，所以采用雷諾平均動量方程來描述流動。考慮旋轉與曲率影響，采用RNGk-ε湍流模型[9-10]。

非定常數值模擬時間步長設為0.011 49，經過120個時間步長，葉輪旋轉一周。

2 壓力脈動特性分析

2.1 不同工況下各監測點壓力脈動時域圖分析

為了方便下面的闡述，這里定義壓力脈動系數Cp=(P-Pavg)/Pavg，其中P為靜壓，Pavg為靜壓平均值，Cp是指壓力脈動振幅占靜壓平均值的比例。同時定義時間系數Cr=(t-tb)/(te-tb)，該周期內壓力脈動便用0～1的無量綱系數來表示，其中，tb為周期開始時刻的時間，te為周期結束時刻的時間。

圖3所示為小流量(0.8Q)工況下，5個監測點壓力脈動時域圖。由圖3可知：P1處脈動幅度最大，P2，P3，P4和P5處脈動幅度相應減弱。與圖4相比，P1點為脈動最激烈處，其余各點相對較平穩。泵內湍流出現較強的不規則性，是由于離心泵處于小流量工況下引起的，表現為壓水室各截面出現較突兀的峰值，尤其體現在P1，P2及P5測點處，說明離心泵在小流量工況運行時，壓力脈動遞增明顯。

圖3 小流量工況下監測點壓力脈動時域

圖4所示為設計工況(1.0Q)下，各個監測點壓力脈動時域圖。由圖4可知：脈動周期性十分明顯；P1處的壓力脈動最為強烈，P2～P5的壓力脈動相應減弱，而且在P3處最弱。壓力脈動幅度差異的原因在于P1和P5點距離隔舌較近，受隔舌影響最大；P3點遠離隔舌，使得該處壓力脈動較小，同時兩者對比結果沒有差異，說明隔舌對該處的影響較小。除P3點外，其他4點的脈動幅值均不是對稱分布，原因是旋轉葉輪與蝸殼水流之間的動靜干涉以及隔舌對流體的擾動作用，使得蝸殼內水流流動呈明顯的不均勻性和三維紊流特征，且周期性波動十分規律，致使壓水室內流體呈漩渦流形態。

圖4 設計工況下監測點壓力脈動時域

圖5所示為大流量工況(1.2Q)下，單由圖5可知，P1處壓力脈動遠大于其余各點脈動幅值，其余各監測點脈動幅值基本都處于較低水平，且各幅值偏離不大。舌蝸殼壓水室的某截面上壓力脈動幅值出現瞬間的峰值，這是由于大流量對隔舌的沖擊振動更強烈。壓水室各截面上的壓力脈動幅值顯然降低，其中P3處壓力只有微弱降低。以上分析表明，在大流量工況下，隔舌能夠抑制壓水室各截面上的脈動情況，故可以減緩由于偏離設計流量而帶來的壓力脈動的銳增。

圖5 大流量工況下監測點壓力脈動時域

2.2 不同工況下各監測點壓力脈動頻域圖分析

圖6所示為對小流量工況下各個監測點進行快速傅里葉變換得到各監測點的壓力脈動頻域圖。由圖6可知：P1，P2和P3點主頻處脈動幅度差異不大，P4點主頻處略小，P5點處脈動比以上各點的都低。P1～P5點的壓力脈動頻率以1倍葉頻為主，高頻減少特別明顯。其原因是流體進入壓水室后，流體的速度能逐漸轉化成壓力能，靜壓的增加使壓力脈動持續上升，但雙隔舌的結構卻能很好的對壓力脈動削弱。以上分析表明，除因遠離隔舌而壓力脈動不明顯的P3點外，在小流量工況下也能較好地改善壓水室各截面的脈動情況。

圖6 小流量工況下各個監測點壓力脈動頻域

圖7所示為對設計工況下5個監測點進行快速傅里葉變換得到各監測點的壓力脈動頻域圖。由圖6可知：各監測點的壓力脈動主頻率都是1倍葉頻附近，與葉輪通過頻率基本一致；P1主頻是各監測點處脈動幅度最高處，其余點次之，P5最低。在P4和P5處壓力脈動主要集中在低中頻附近。

圖7 小流量工況下各個監測點壓力脈動頻域

圖8所示為對大流量工況下5個監測點通過快速傅里葉變換得到各監測點的壓力脈動頻域圖。由圖8可知：P1點主頻處脈動幅值最大，P3，P4，P5點在主頻處的脈動幅值基本處于同一水平，P2處脈動幅值則處于相對較低值。5個監測點主頻都是1倍葉頻。P2點處時主頻也是1倍葉頻附近次主頻為2倍葉頻附近，高頻部分顯著增多；其原因在于：隨著流體流量增加，在葉輪經過隔舌后，部分流體仍在葉輪內不停循環，并造成回旋，與蝸殼周期性撞擊，即形成P2處高頻率的壓力脈動。依上所述，在大流量工況下，隔舌對附近區域影響較為明顯。

圖8 小流量工況下各個監測點壓力脈動頻域

3 結 論

(1)受到隔舌影響流道內各觀察點的壓力脈動出現非常顯著的周期性，而且在0.8Q、1.0Q、1.2Q工況下的5個監測點主頻都是葉片通過頻率。

(2)隨著觀察點與隔舌周向距離變大，脈動幅值逐漸減小，這時脈動主要是葉片通過頻率，高頻脈動成分較少。

(3)各個監測點的壓力脈動頻譜圖通過快速傅里葉變換方法得到，可以初步得到實際測量儀器無法監測到的部位(如葉輪流道、蝸殼等)的壓力脈動特性，對于了解隔舌影響內部流場壓力脈動情況提供了有益的參考。

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