過流部件粗糙度對船用離心泵振動特性的影響

邱 勇，郭 超，潘 琦，董 亮，劉厚林

（1.江蘇振華海科裝備科技股份有限公司，江蘇泰州 225500；2.江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇鎮江 212013）

0 引言

泵在使用過程中，常常會應用到各種工作環境，由于受到多種因素的影響，過流表面的粗糙度往往也會發生變化從而影響泵的性能。為研究加工精度對泵的性能的影響，眾多學者以旋轉機械為對象就整體過流表面粗糙度的變化進行了深入研究。SOLTANI等［1］的研究表明葉片表面粗糙度會嚴重影響風機的性能。KANG等［2］采用數值模擬的方法預測了粗糙度對單級軸流渦輪機的性能的影響，結果得出，表面粗糙度的變化直接影響軸流渦輪機的效率。隨著研究深入，部分學者對表面局部粗糙度也開始不同程度的研究，REN等［3］對翼型表面不同位置設置粗糙度，發現導邊部分比隨邊部分受粗糙度影響更大。MARZABADI等［4］研究翼型導邊粗糙度對風機性能的影響，發現，導邊粗糙度會使得渦分離提前發生，從而導致風機效率下降。霍福鵬等［5-6］在離心風機葉片局部粘貼粗糙度片，研究發現效率有所上升，指出粗糙度片面積并不是越大越好而是存在一個臨界值。馮建軍等［7-8］采用CFD數值模擬的方法研究不同粗糙度對軸流泵性能影響。談明高等［9］以12臺不同比轉速的離心泵為研究對象，運用FLUENT軟件詳細分析了粗糙度對離心泵性能的影響。趙斌娟等［10］研究表明，0.2 mm壁面粗糙度對離心泵外特性影響最大。高軍甲等［11］對輸油離心泵葉輪進行電解拋光從而使得泵效率提高了5%。付飛等［12］對近年來關于旋轉機械在表面粗糙度的研究進行了總結，得出粗糙度的變化影響了葉片表面的邊界層和流體繞流，從而影響葉輪機械的性能，且總體來說粗糙度的增加會使得旋轉機械性能下降。

對于壁面粗糙度對振動的影響部分學者也進行過相關研究，陳文禮等［13］采用基于湍流模型方法的CFX中剪切應力輸運湍流模型，研究了光滑圓截面在不同來流風速條件下的渦致振動特性。董亮等［14］用離心泵作為研究對象，研究了振動信號總水平的變化規律。JOHNSON等［15］用雙圓盤機分析了表面粗糙度對接觸振動的影響。汪久根等［16］利用Fokker-Planck方程分析了表面粗糙度對滾動軸承振動的影響。高云等［17-19］通過試驗與數值計算的手段研究了粗糙度對圓柱體渦激振動的影響，得出隨著粗糙度的上升，圓柱體渦激振動響應最大值呈下降趨勢。茅鍵等［20］研究了施加低頻振源后的粗糙度評定參數大小為未施加任何振源的粗糙度評定參數大小的2倍左右。雖然對于過流壁面粗糙度對結構振動的影響有了一定的研究，但在泵領域大部分研究還是集中研究粗糙度對泵的外特性以及內流性能方面。而粗糙度對流動誘導的振動研究較少。本文重點對過流壁面粗糙度對船用泵機組水力性能以及振動性能的影響，給出其定性規律，為水力參數設計以及制造加工精度提供有效的指導。

1 數值計算方法

以一臺比轉數為66.7的船用離心泵為研究對象，其主要設計參數為：流量Qd=25 m3/h、揚程H=34 m、轉速n=2 950 r/min。表1給出了葉輪和蝸殼的主要幾何參數。

表1 主要幾何參數Tab.1 Main geometric parameters

1.1 數值計算模型

采用UG進行船用泵機組三維模型以及流體域計算模型的建立。圖1示出全流場計算模型，包括：進口彎管、葉輪水體、腔體、蝸殼水體以及出口延長段。

圖1 流場模型Fig.1 Model of flow field

泵機組系統三維模型如圖2所示，包括電機、托架、泵體、進水管、底座。

圖2 泵機組三維模型Fig.2 3D model of pump unit

1.2 研究方案

本文根據粗糙度等級標準進行粗糙度方案選擇，先對光滑壁面以及粗糙度等級為1.6，50.0 μm進行振動計算，分析振動規律，發現有著線性上升趨勢，于是繼續增加粗糙度來探尋粗糙度對泵體振動的規律，確定了以下5個方案來定性確定粗糙度與泵體振動規律見表2。

表2 壁面粗糙度等級方案Tab.2 Wall roughness grade scheme

1.3 流場計算設置

本文采用RNG k-ε湍流模型進行后續的數值計算。以彎管進口延長段作為計算域進口，設置為總壓 1.01×105Pa（1 atm）；以出口延長段為流域出口，設置為質量流量邊界。葉輪水體設置為旋轉域，其余水體均設置為靜止域，在動靜部件間使用交界面進行數據交換；對于定常計算，使用凍結轉子交界面（Fronzen rotor interface），而對非定常計算，采用瞬態動靜交界面（Transient Rotor/stator interface），網格關聯采用GGI方式；泄漏流道內表面即前后蓋板外表面，其設置為旋轉壁面，旋轉速度及方向均與葉輪水體相同。對于壁面粗糙度等級的設置，在CFX中的將所有流體計算域的wall邊界條件設置粗糙度，按照方案確定的粗糙度等級進行設置。穩態設置：定常計算采用高精度一階迎風求解方式，求解總步數設置為2 000步，時間步長設置為自動時間步，收斂判據選為平均值RMS，收斂精度為10-4。瞬態設置：本次非定常數值計算中，時間步長設置為ΔT=0.000 112 99 s，即葉輪每旋轉2周即獲取一次流場計算結果，當流場呈現出明顯周期性且這種周期性變化達到穩定之后，提取計算后12個旋轉周期數據對非定常流體計算結果進行分析。

1.4 振動計算設置

采用LMS Virtual lab專業聲振仿真軟件對離心泵體進行振動響應計算，其中泵體材料為鑄鐵且具備各向同性，彈性模量E=135 GPa，密度為ρ =7 000 kg/m3，泊松比μ =0.3，阻尼比 ζ=0.01。在瞬態流場計算中提取蝸殼及葉輪表面的壓力脈動作為振動激勵，激勵源具有連續性且發散。將CFD（Computational Fluid Dynamic）流場計算得到的壓力脈動時域信息經傅里葉變化后轉換為頻域信息，隨后插值到振動計算所需的結構有限元模型上。

對于振動計算，首先需要確定的是約束位置以及約束條件，圖3示出本文所確定的約束條件示意。

圖3 模型約束示意Fig.3 Schematic diagram of model constraints

2 粗糙度對泵振動特性的影響規律分析

2.1 壁面粗糙度對水力性能的影響

本文主要研究不同粗糙度等級泵內流體激勵對泵體的振動影響情況，所以本文中的載荷即為流體載荷。基于加工精度標準，采用商業軟件CFX進行各壁面粗糙度設置。不同粗糙度外特性結果如圖4所示。

圖4 不同粗糙度外特性曲線Fig.4 External characteristic curves for different roughness

由圖4可以看到，隨著粗糙度的增加，船用泵外特性呈現線性下降的趨勢。當粗糙度由0增加到3.2 μm時，流量揚程下降并不明顯，揚程從37 m下降到了36.8 m，下降不到1%。效率從72.1%下降到了71.7%，下降也不到1%。而隨著粗糙度繼續增加，外特性開始下降明顯，粗糙度到了50 μm，時，對比光滑壁面揚程效率均下降7%左右。

2.2 壁面粗糙度對泵機組主要振動的影響

圖5示出了各振動測點示意，4個測點分別位于電機座，進、出口法蘭，底座。

圖5 泵機組各振動測點示意Fig.5 Schematic diagram of each vibration measuring point of pump unit

根據這些測點的振動信號來判別振動的趨勢以及規律，計算得出不同粗糙度等級各測點振動速度信號，為了方便分析，將信號進行傅里葉變換，并利用振動速度級處理方式，得出不同粗糙度三方向振動疊加后寬頻圖譜如圖6所示，進而可以探尋不同粗糙度對整個振動寬頻帶的影響。由圖6可以發現，隨著粗糙度的增加整個頻帶都有上升的趨勢，而最明顯的就是葉頻處，通過不同測點對比不難發現粗糙度對低頻振動影響比較大，而對于中高頻（500 Hz之后）影響主要在于倍葉頻，觀察不同測點各粗糙度的低頻帶振動規律發現，改變粗糙度對泵體低頻特征值的幅值影響加大，尤其在電機座以及底座測點，而底座測點低頻帶振幅明顯小于其他幾個測點，且特征頻率相比其他測點也變得不明顯。說明底座的螺栓約束使得底座在低頻帶振動上有了明顯的降低。

圖6 不同粗糙度三方向振動疊加后寬頻圖譜Fig.6 Broadband spectrum after superposition of three-direction vibration with different roughness

3 結論

本文運用UG軟件建立船用泵機組外部的三維結構模型以及內部的三維全流場模型，并運用ANSYS中ICEM以及workbench對其進行網格劃分，而后基于流場結果提取泵內流表面壓力脈動以及旋轉葉輪三方向徑向力，并以此為激勵加載到泵體進行泵機組流體誘導振動計算，并得到各測點振動速度頻譜響應。分析后得到以下結論。

（1）隨著粗糙度的增大泵的揚程、效率都呈現下降的趨勢。

（2）流體激勵下主頻在葉片通過頻率處（295 Hz），次頻在3倍葉頻處，且各倍葉頻在整個寬頻帶上占據主要地位。

（3）不同粗糙度等級下，各頻譜特征頻率完全一致，并未發生偏移，主頻在葉頻（295 Hz）處，諧頻在各倍葉頻處，隨著粗糙度增加，主頻峰值有著不同程度的降低，但降低的值并不明顯。

（4）粗糙度的變化對低頻帶振動影響較大，尤其在10～295 Hz范圍，且粗糙度對葉頻及其倍頻幅值變化影響較大。