高速離心泵多維空化特性研究

2018-09-18 07:46:30宋文武虞佳穎陳建旭

水力發電 2018年6期

羅旭，宋文武，虞佳穎，萬倫，陳建旭

(西華大學能源與動力工程學院，四川成都610039)

0 引言

高速離心泵具有轉速快、流量小、揚程高、結構緊密、占地面積小等特點。隨著離心泵相關課題的深入研究，高速離心泵在實際工程存在的問題使得越來越受到研究者的重視，尤其是如何能夠進一步提高運行的穩定性。由于高速離心泵的高速化，對泵的運行穩定性提出了更高的要求，不穩定性主要影響因子是流量變化引起的流動不穩定性和由壓力變化引起的空化不穩定性。而流量的變化一般是可控的，故空化引起的不穩定性現象是目前離心泵研究的難點及熱點問題，特別是高速離心泵的進口處更容易發生回流旋渦及葉輪進口較易出現低壓區[1]，從而對改善高速泵的空化性能提出了更高的要求，現研究的空化主要集中在常規轉速離心泵下進行的，對于高速離心泵下的空化現象及機理的相關文獻甚少，即使在常規轉速離心泵中也僅僅對某一流線上或某一測點來進行研究的。因此對高速化的空化流動特性研究就更為重要。

目前，國內外諸多學者用試驗和數值模擬的方法對離心泵的空化特性進行了分析闡述。李業強[2]等對一臺單級微型高速泵的內部空化進行了全流場數值模擬，表明葉片表面上的空泡在流線上逐漸遷移各增加。羅亮[3]等采用Zwart空化模型對一臺比轉速131的化工離心泵空化性能進行了數值模擬，表明采用采用Zwart模型能夠較好的反應離心泵的空化性能。劉厚林[4]等采用三種空化模型進行計算尋找離心泵最優的空化模型。李曉俊[5]等用試驗方法探討了離心泵葉片前緣空化的流動機理及動力學特性的研究。胡帥[6]等主要研究了微型高速離心泵在小流量下的空泡流動變化。賀國[7]等研究了常規轉速下的空化壓力脈動的特征。其他學者從試驗及數值模擬的不同的角度也相繼闡述了常規轉速離心泵下的內部流動狀態[8- 12]。

本文利用CFX計算及后處理，對高速離心泵的葉片及流道的空化變化做了闡述分析，說明了不同系數之間對應的變化關系，不同空化程度對葉輪隔舌及出口的壓力脈動影響。通過本文能夠進一步的了解高速離心泵從三維空間上來探索并分析空泡體積分數在全流道分布規律。內空化變化的機理，為后續的空化研究提供了一定的參考價值。

1 計算模型及網格

1.1 模型參數

該計算高速離心泵模型參數為:流量Q=15 m3/h，揚程H=50 m，轉速n=11 000 r/min，進口段直徑D1=30 mm，葉輪直徑D2=57.2 mm，葉片數Z=4，葉輪出口寬度b2=6 mm，葉輪出口角β2=36.4°，比轉速ns=137.8。利用UG、CFturbo軟件進行三維建模，主要由進口段、葉輪、蝸殼、出口段四部分組成，為使進入流體充分發展及出口流體能量能夠充分耗散，對進口段及出口段進行適當的延伸。三維模型如圖1a所示。

圖1 高速離心泵三維模型及網格劃分

1.2 網格劃分

計算模型網格質量直接影響模型結果的準確性。常用網格技術為結構性和非結構性兩種。由于高速離心泵的壓水室結構不對稱性及流動的復雜性，本文采用了適用能力較強的非結構網格，并使每一種網格的各個過流部件網格質量達到0.4以上。如圖1b所示。同時采取了四種不同網格數進行網格無關性檢驗，可得到該模型網格達到1 500 000后揚程變化范圍在0.2%左右，基本趨于穩定，滿足網格無關性，考慮到計算機的內存運算需求，最后本文選用總網格數為1 501 430進行計算。同時在葉輪出口圓周處設置了5個監測點。

1.3 設置條件

為了提高計算的收斂速度和精度，把定長的結果作為空化設置計算的初始值。在定長模擬時設置為：進口為壓力，出口為質量流，壁面采用無滑移邊界條件，近壁處用Scalable壁面函數處理，進口段與葉輪及蝸殼和葉輪的交界面采用Frozen Rotor狀態進行信息傳遞。確保定長的收斂精度，差分格式選擇高階求解模式，在空化計算設置時，進口的液體體積分數為1，氣體的體積分數為0，改變進口壓力監測空化變化情況。在進行葉輪出口壓力脈動監測時非定長設置為：總時間步長設置為2.727×10-2，每旋轉3°計算一次，時間為 4.545×10-4，以定長結果作為計算的初始值，收斂精度為10-4。

2 計算結果分析

利用CFD-Post軟件進行后處理，為使計算結果的數據能夠進行準確定性分析，定義以下量綱進行參數統一化。即流量系數φ、揚程系數ψ、空化系數σ、脈動系數Cp。探討各參數與內部空化發生之間的關系，使高速離心泵空化的過程能夠更清楚的表達出來。

(6)

(7)

式中，u為葉輪出口線速度；ptin為進口總壓；psat為工作介質在相應溫度下的飽和蒸汽壓力；p為監測點的動態壓力；ρ為介質密度。

2.1 空化外特性分析

圖2為各工況下的空化揚程曲線，可以看出在各工況下揚程系數隨著空化數的減少逐漸發生變化，在空化系數相對較大時，揚程基本趨于平穩或稍有波動的狀態，但當空化系數達到一定程度時，揚程開始發生陡降，且每一種工況的陡降點均不相同；在相同的空化數下，流量越小，對應的揚程系數相對就越高；小流量時的揚程陡降點對應的空化數就越小。高速離心泵在揚程下降為3%是為臨界空化數。由圖知隨著流量的增大，對應工況下的臨界空化系數在增加。

圖2 各工況下的空化揚程曲線

2.2 葉片空泡體積特性分析

為了清晰觀察高速離心泵中葉片的空化狀態，利用流量系數和空化系數的兩者之間的變換分析各葉片間及流道的空泡體積分數占比.如圖3所示。

圖3 不同工況下的葉片空泡體積分布

由圖3可得在φ=0.117(設計工況下)，隨著空化系數的減少葉片上的空泡體積就越嚴重，首先出現在葉片的吸力面的前緣部分，然后逐漸向葉片后緣延伸；在σ=0.077時空化已經蔓延至整個葉片背面上,σ=0.068時空泡的占比已經非常嚴重，已經對整個葉片上的流道嚴重堵塞，對高速離心泵的性能穩定發生嚴重的干擾。在其他的流量系數下。整個葉片的空化變化趨勢基本一致即空化沿著葉片前緣至尾緣擴散，當空化系數較小時工作面與背面的空泡匯合對整個流道造成堵塞，當空泡破滅時對葉片造成損壞。但在φ=0.071時可觀察到葉片之間的空化分布并不均勻，有些葉片的空化相對較少，這是由于壓水室的結構不對稱性及小流量下流道分布不均勻造成的。整體的空化遷移變化是一致的。而在大流量工況下φ=0.141(1.2Qd)，葉片空泡體積變化與其他工況下略有不同即葉片的后緣空泡體積分數較葉片前緣及中部變化更明顯，葉片前緣空泡數較少，而主要集中在葉片背面中部和尾緣處。當在相同的空化系數下時，隨著流量系數的減少葉片上的空化程度逐漸增加，空泡體積分數在逐漸加大。綜上可知高速離心泵較常規離心泵更容易發生空化，空化對高速泵的穩定性影響更加明顯。上述葉片空化變化與圖3的空化揚程變化曲線也是相符合的。更進一步說明揚程系數、空化系數、流量系數之間的變化關系對整個高速離心泵空化時流道的影響。

2.3 空化對隔舌及葉輪出口壓力脈動影響分析

為了更加深入了解不同空化程度對高速離心泵穩定性造成的影響，在葉輪出口及隔舌處設置監測點，分析各空化系數下對壓力脈動的變化情況。因為本模型轉速n=11 000 r/min，故轉動頻率f1=183.33 HZ，葉片數z=4，故葉頻fn=4×f1=733.32 HZ。通過快速傅里葉轉換(FFT)得到相關的頻域圖。

圖4 設計工況下隔舌處不同空化系數下的時域

由圖4可得，隔舌處不同空化系數下的時域圖隨著時間呈現周期性變化，波動較為規則，在σ=0.018 1～0.010 5之間壓力波動范圍較為穩定。當σ=0.086時，此空化系數下的壓力變化有略微的波動，但波動值相對較小；當σ=0.068時，由圖3可知在此空化系數下，空化已經非常嚴重，此時的時域圖的波動范圍非常大，說明此時隔舌處壓力波動變化對離心泵的穩定運行產生了較大干擾。綜上可知，在空化程度相對較小時，隔舌處的壓力時域變化是穩定的，但整個空化程度較為嚴重時，隔舌處壓力隨時間的變化波動幅值極不穩定。

圖5 設計工況下葉輪出口處監測點不同空化系數下的壓力脈動

由圖5可知葉輪出口圓周方向上的各監測點也會受到不同空化程度的影響。圓周上的壓力脈動主要幅值在葉頻及其倍頻處，且能量的消散較慢，在10倍葉頻處壓力幅值仍然較為明顯。圓周上的R4監測點壓力波動幅值最大，R5波動幅值相對較小，由監測點圖可知，R4監測點是靠近葉輪隔舌吸入口最近的位置。說明空化的產生對靠近葉輪隔舌的圓周出口處壓力脈動影響較大。隨著空化系數的不斷減小，圓周上的各監測點的脈動幅值在不斷增加。σ=0.181～0.086之間壓力脈動變化相對較為平緩。在σ=0.077時出口的脈動變化尤為明顯，此空化系數下CP系數較其他空化系數增長了2倍。且R2-R5各點葉頻處的幅值較大且各點之間脈動變化之差較小。說明此空化程度下對整個葉輪出口的脈動變化產生了很大影響。即當空化系數小于0.086時，圓周的壓力脈動變化對葉輪出口的穩定運行產生了較為嚴重的干擾。