杜喆華

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

0 引 言

離心泵是將原動機的機械能利用離心力轉(zhuǎn)化為輸送介質(zhì)能量的一種通用機械設備［1］，如果輸送介質(zhì)是水，將機械能轉(zhuǎn)化為動能或位能，就是本文的研究對象水泵。船舶的各個系統(tǒng)中大量使用離心泵。船用離心泵在使用過程中，有可能因為眾多因素的聯(lián)合影響造成泵體非正常振動，并引發(fā)與水泵相連管路振動，進而激勵船體振動噪聲產(chǎn)生，影響船上人員的身心健康。另外，水泵非正常振動還會造成水泵效率降低、揚程和流量下降。在日益提高的現(xiàn)代船舶舒適性要求下，船用離心泵不能僅滿足于正常使用工況要求，還必須最大限度減小振動。

離心泵內(nèi)流體流動相當復雜，因此很難用純理論的方法得到其內(nèi)部流場特性。近年來，隨著計算機硬件水平的提高以及計算流體力學（CFD）和數(shù)值計算方法的蓬勃發(fā)展，CFD方法已成為國內(nèi)外學者研究離心泵的重要手段。隨著研究的深入，目前用CFD方法研究離心泵呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：①湍流模型的深入研究；②優(yōu)化設計；③發(fā)展網(wǎng)絡生成技術(shù)；④向量化及并行算法。

本文以某型船用離心泵為例，介紹了該泵的振動現(xiàn)狀，結(jié)合工程實踐對可能的原因進行了分析，提出改進措施；然后用FLUENT軟件對改進方案進行數(shù)值模擬分析，最后制造樣機加以驗證。本文的研究思路和方法可為其他離心泵低振動改進設計提供一定的借鑒。

1 某船用離心泵組成與主要參數(shù)

本文研究的某型船用離心泵用于運送淡水。該泵主要由泵體、泵蓋、支座、泵軸、聯(lián)軸器、葉輪、密封環(huán)、軸套、填料壓蓋以及電動機等部件組成。其外形簡圖見圖1。

圖1 某船用離心泵外形簡圖

該泵主要參數(shù)如下：

額定流量：100 m3/h；

額定揚程：43 m；

必需汽蝕余量：4.9 m；

配套電機轉(zhuǎn)速：2 980 r/min；

配套電機功率：22 kW。

圖2、圖3是該泵機腳實測的典型振動頻譜圖。

圖2 機腳振動線譜

圖3 機腳振動1/3倍頻程譜

2 原因分析及減振措施

自激振動和環(huán)境振動［2］會影響船用離心泵運行。導致船用離心泵運行振動較大的原因是多方面的，但結(jié)合該泵安裝情況、運行工況以及振動頻譜圖，造成設備振動偏大的原因可能是水力設計不合理。在運行過程中，當泵偏離額定工況點較多時，泵體內(nèi)水力流態(tài)會發(fā)生異常，造成水力波動增大，從而導致離心泵振動較大；而且當氣蝕發(fā)生后，泵體內(nèi)會出現(xiàn)強烈水力沖擊，產(chǎn)生較大振動和噪聲。綜上所述，該泵主要振動源是泵體。造成振動偏大的主要原因是水力設計不合理引起的內(nèi)部流體激勵振動。

該泵的額定流量處于原泵性能曲線的大流量區(qū)，顯然不盡合理，因此必須對水力模型進行重新設計。新設計離心泵的水力模型不僅要滿足性能指標要求，還應保證額定流量在性能曲線的最優(yōu)范圍內(nèi)，這將有效降低水力原因引起的振動。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬計算技術(shù)的飛速發(fā)展使商用CFD軟件能夠廣泛地應用于泵內(nèi)流動的研究和計算分析中。本文也采用了一種基于數(shù)值模擬分析方法，對該船用離心泵的改進研究設計。在研究、設計過程中，運用FLUENT軟件仿真計算分析了改進設計方案的泵內(nèi)流場，泵內(nèi)的流場可視化，并能預估泵的性能。圖4是典型的數(shù)值模擬計算步驟。

圖4 數(shù)值模擬計算步驟

3.1 計算流體力學基本理論

計算流體力學是把在空間域及時間域上連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用有限個離散節(jié)點上變量值的集合來代替，然后建立起關(guān)于這些變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程組，最后通過求解這些組獲得場變量的近似值［3］。

采用計算流體力學的方法對流體流動進行數(shù)值模擬分析，通常包括如下步驟［4］：

（1）建立可以反映實際問題的數(shù)學模型，也就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程以及相應的邊界條件和初始條件，這是數(shù)值模擬分析的出發(fā)點。

（2）尋求高效及準確的計算方法。該部分的核心工作是離散控制方程，使其變?yōu)榉奖闱蠼獾拇鷶?shù)方程，數(shù)值離散方法包括限差分法、有限單元法、有限體積法等。

（3）編制程序進行計算。這部分工作耗時最多，包括劃分計算網(wǎng)格、輸入邊界條件和初始條件、設定控制參數(shù)等。

（4）顯示數(shù)值模擬結(jié)果并分析。將結(jié)果在計算機上以圖形的形式呈現(xiàn)，可方便觀察分析流動狀態(tài)。

上述4步中，最關(guān)鍵的步驟是離散控制方程和建立工程上適用的計算模型［5］。

3.2 設計工況及物性參數(shù)

額定流量：100 m3/h

配套電機轉(zhuǎn)速：2 980 r/min

入口壓力：101 325 Pa

流體密度：998.2 kg/m3

流體粘度：0.001 003 kg/m·s

3.3 三維流道實體模型

離心泵的過流部件包括葉輪、蝸殼、進出水管。首先要建立泵體內(nèi)部流體流動的計算模型，然后才能進行流場數(shù)值計算。本文利用三維設計軟件CATIA來分別建立其葉輪、蝸殼、進出水管的流道模型，進而將部件裝配建立離心泵三維流道實體模型。為了保證流體能夠平穩(wěn)入流，模型增加了進口延伸段，如圖5所示。

3.4 網(wǎng)格劃分

將上文得到的整機流道三維模型導入到前處理軟件GAMBIT中進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，整機流道模型網(wǎng)格劃分見圖6。其中對部分部件進行了網(wǎng)格加密，如葉輪及蝸殼隔舍處，整機流道區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為468 786個。

圖5 整機流道三維模型圖

圖6 整機流道模型網(wǎng)格劃分圖

3.5 計算模型

本文選用雷諾時均方程法對N-S控制方程作時間平均，壓力速度耦合采用SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations），選取標準k-ε兩方程湍流模型，離散差分方程采用二階迎風格式。應用亞松弛迭代計算代數(shù)方程，壓力亞松弛系數(shù)0.3、速度項為0.7、湍動能亞松弛系數(shù)0.8、湍動能耗散率項為0.8、設定收斂精度為10-4。

由于離心泵既有旋轉(zhuǎn)部件又有靜止部件，因此將計算區(qū)域劃分成轉(zhuǎn)子和定子兩個子區(qū)域［6］。其中葉輪和泵殼的耦合采用多參考坐標系模型，葉輪內(nèi)流動使用旋轉(zhuǎn)坐標系分析，泵殼內(nèi)流動使用固定坐標系，轉(zhuǎn)子和定子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標系下的流體參數(shù)。

3.6 邊界條件

進口邊界條件：根據(jù)流量及進口截面積計算出流道區(qū)域的速度進口條件2.26 m/s。

出口邊界條件：取出流邊界條件。

壁面條件：葉輪、泵體與液體相接觸的固體壁面上均采用無滑移壁面條件，其余固體壁面都設置為靜止壁面。

慣性載荷條件：取2 980 r/min。

3.7 計算結(jié)果

3.7.1 結(jié)果分析

從圖7可以看出，離心泵整機流道內(nèi)除出現(xiàn)局部高壓和低壓區(qū)外，流體的壓力分布比較均勻，且呈現(xiàn)出較強的軸對稱性，這有助于降低徑向力，減小整個泵體的振動。葉輪對流體做功，使得流體的總壓力逐漸升高，最大處出現(xiàn)在葉片壓力面出口處。流體進入蝸殼后由于存在壓力損失，總壓力沿流動方向又開始遞減。

圖7 離心泵整機流場總壓力分布圖

從圖8可以看出，由于葉輪對流體做功，靜壓由進口到出口持續(xù)上升，最高處在蝸殼外壁面處。出口處的靜壓有所上升是由流道的擴張造成。

圖8 離心泵整機流場靜壓力分布圖

由圖9～10可以看出，流體在離心泵流動過程中，葉輪出口附近的流速最大，葉輪進口處的流速最小。由速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，流體在泵體內(nèi)部流動比較均勻，無明顯的流動分離和沖擊現(xiàn)象。流體速度分布表現(xiàn)出由葉輪進口到葉輪出口不斷升高，由葉輪至泵殼速度逐漸降低的規(guī)律。伴隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做功，流體在蝸殼進口附近流速較均勻，在順著泵殼導流的方向流體速度不斷升高，隨著流體流向出口，速度逐漸變低，至泵出口區(qū)域才慢慢降低。這些結(jié)果都表明該離心泵在設計工況下的運行狀態(tài)良好。

圖9 離心泵整機流場絕對速度分布圖

圖10 離心泵整機流場速度矢量圖

3.7.2 性能預測

在設計工況下：

揚程H=42.5 m

效率 η=γQH/Mω=73%

3.7.3 分析結(jié)論

本節(jié)對離心泵內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，仿真圖形直觀揭示了泵內(nèi)部的流動規(guī)律，對于離心泵改善其水力性能及降低振動都具有重要的意義。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，該優(yōu)化設計后的離心泵性能參數(shù)接近設計值，誤差較??；泵內(nèi)流場呈現(xiàn)出比較均勻、合理的特點，離心泵工作穩(wěn)定性較好，有利于降低運行振動水平。

4 試制及試驗

4.1 樣機試制

根據(jù)前文所述的振動噪聲控制措施和CFD仿真計算結(jié)果，對原離心泵進行重新修改設計，然后制造了1臺離心泵樣機，如圖11所示。

圖11 船用離心泵外型

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)GB/T 3216-2005《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級和2級》和JB/T 8097-1999《泵的振動測量與評價方法》的要求，搭建了試驗平臺。

4.2.1 水力性能

離心泵樣機的水力性能符合技術(shù)要求。

4.2.2 振動數(shù)據(jù)

樣機的振動水平較原離心泵大幅下降，整改措施達到預期效果。典型測試頻譜見圖12、圖13。

5 結(jié) 論

船用離心泵振動改進的成功，不僅大幅降低了設備的振動水平，同時在研究過程中加深了對振動控制工作的認識，初步形成了以CFD數(shù)值模擬為基礎(chǔ)一套研究思路和方法，并積累了大量有益的經(jīng)驗，可為其他類似離心泵振動改進提供一定的借鑒。

圖12 機腳振動線譜

圖13 機腳振動1/3倍頻程譜

通過對船用離心泵改進方案內(nèi)流道的CFD數(shù)值模擬分析，可以揭示離心泵內(nèi)部的流動特征以及水力設計中存在的問題，從而可有的放矢地修正設計方案。此外，該方法可以對主要性能參數(shù)進行預測，預測結(jié)果有一定的工程應用價值，從而減少相關(guān)試驗驗證次數(shù)，提高研制效率、節(jié)約成本。

［1］陳乃祥，吳玉林.離心泵［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］吳仁榮.船用離心泵的運行振動和減消措施［J］.機電設備，2004（6）：37-39.

［3］唐輝，何楓.離心泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬［J］.水泵技術(shù)，2002（3）：3-9.

［4］MIGUEL A，F(xiàn)ARID B，SMAINE K.Numerical modelization of the flow in centrifugal pump：volute influence in velocity and pressure fields［J］.International Journal of Rotating Machinery，2005（3）：244-255.

［5］朱保林.離心泵內(nèi)流三維數(shù)值模擬［D］.浙江：浙江工業(yè)大學，2005.

［6］任志安.離心泵內(nèi)流動數(shù)值模擬研究［D］.北京：中國石油大學，2009.