宋冬梅，雷明川，費(fèi) 宇，劉雪垠

（1. 四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610063；2. 西華大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，成都 610039）

0 前言

雙吸泵作為離心泵的一種重要形式，因其具有揚(yáng)程高、流量大、自平衡軸向力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于熱力發(fā)電及核能發(fā)電廠的輔助系統(tǒng)、石油化工等工業(yè)過程[1]。其壓力脈動(dòng)會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)、噪聲等危害，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞整個(gè)系統(tǒng)。隨著雙吸離心泵轉(zhuǎn)速不斷增大、升壓比不斷增加，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性問題更為突出[2]。

離心泵壓力脈動(dòng)研究表明，離心泵內(nèi)部動(dòng)靜干涉作用和葉輪不均勻出流是產(chǎn)生較大壓力脈動(dòng)的主要根源[3]。Arndt N，Acosta A J等人[4]通過測(cè)試二維離心泵的壓力脈動(dòng)，得出最大壓力脈動(dòng)出現(xiàn)在導(dǎo)葉出口，脈動(dòng)值與導(dǎo)葉數(shù)和導(dǎo)葉角度密切相關(guān)的結(jié)論。PARRONDO J，GONZALEZ J等人[5]通過對(duì)離心泵進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，表明壓水室壓力脈動(dòng)以葉頻為主；當(dāng)偏離額定工況時(shí)，該脈動(dòng)幅值顯著增大。夏偉[6]通過對(duì)某雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出低頻壓力脈動(dòng)在半螺旋形流道內(nèi)較為劇烈，壓水室壓力脈動(dòng)在隔舌區(qū)域最為強(qiáng)烈。

到目前為止，在控制和改善雙吸離心泵壓力脈動(dòng)問題上，大多數(shù)學(xué)者都采用上述諸如改變導(dǎo)葉數(shù)和導(dǎo)葉角度、調(diào)節(jié)運(yùn)行工況、改變隔舌位置與葉輪出口之間的間隙及隔舌形狀等方法，而很少有人研究葉輪結(jié)構(gòu)形式變化對(duì)雙吸離心泵壓力脈動(dòng)特性的影響。

基于上述研究，利用修正后的RNGk-ε湍流模型分別對(duì)兩種方案的葉輪全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，揭示不同葉片布置方式的雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，為高轉(zhuǎn)速雙吸離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文數(shù)值計(jì)算模型為汽輪機(jī)組供油系統(tǒng)中的主油泵，其任務(wù)是向整個(gè)油系統(tǒng)提供壓力油。該主油泵葉輪出口直徑D2=374mm，葉片數(shù)z=6，轉(zhuǎn)速n=3600r/min，設(shè)計(jì)工況流量6500l/min，流動(dòng)介質(zhì)為22#透平油，介質(zhì)密度為：ρ=875kg/m3，動(dòng)力粘度為：μ=0.0016Kg/（m·s）。不同葉輪形狀如圖 1所示，方案（a）為雙吸泵原模型葉輪，方案（b）為將原模型兩側(cè)葉片交錯(cuò)30°布置后的葉輪模型。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

計(jì)算域模型包括葉輪、泵腔、蝸殼三部分。在ICEM-CFD中采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)葉輪、泵腔、蝸殼分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)葉片頭部等重要區(qū)域進(jìn)行局部加密。交錯(cuò)布置葉片葉輪是在對(duì)稱布置葉片葉輪的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)而成，故兩種模型的網(wǎng)格總數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，分別為 1286565和 272930，網(wǎng)格如圖 2所示。

雙吸離心泵葉輪兩側(cè)采用壓力進(jìn)口，定義入口靜壓力0.1MPa (相對(duì)壓力)，蝸殼出口壓力未知，因此取質(zhì)量流量出口條件，出口質(zhì)量流量為94.79kg/s（最優(yōu)工況時(shí)）。對(duì)于葉輪與泵腔之間的動(dòng)靜耦合交界面，采用frozen-rotor格式處理。壁面采用無滑移邊界條件。

圖1 對(duì)稱和交錯(cuò)布置葉片的葉輪形狀

圖2 全流道網(wǎng)格圖

2.2 數(shù)值求解方法

考慮平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況，采用RNGk-ε湍流模型，可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[7]。在進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，動(dòng)靜干涉面采用瞬態(tài)動(dòng)靜法（Transient Rotor-Stator）。每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期平均分成120個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步長為 1.389e-4s，即葉輪在每個(gè)時(shí)間步長轉(zhuǎn)過 3°。離心泵在前 4個(gè)旋轉(zhuǎn)周期已經(jīng)收斂，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故選取第5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的數(shù)據(jù)作為采樣對(duì)象。

2.3 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取[8]

壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要設(shè)定在流道中壓力脈動(dòng)具有代表性的位置。為了獲取蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)情況，分別在蝸殼內(nèi)部流道的中截面上布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別記為點(diǎn)P1～P4（間隔均為90°），如圖3所示。

圖3 蝸殼區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

對(duì)非定常湍流數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，讀取蝸殼出口和蝸殼內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的靜壓值，得到雙吸離心泵在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動(dòng)的時(shí)域分布；再采用快速傅里葉變換（FFT），利用Origin軟件可得到蝸殼出口和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域分布，從而獲得壓力脈動(dòng)的主頻和脈動(dòng)幅值。限于篇幅，僅對(duì)設(shè)計(jì)工況下（1.0Qd）兩種葉輪形式的雙吸離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析比較。

3.1 泵出口處壓力脈動(dòng)

圖4為葉片交錯(cuò)和對(duì)稱時(shí)離心泵蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖。從時(shí)域圖可知，交錯(cuò)和對(duì)稱布置葉片時(shí)離心泵出口壓力脈動(dòng)具有非常明顯的周期性。交錯(cuò)布置葉片離心泵出口壓力脈動(dòng)周期為對(duì)稱布置葉片時(shí)脈動(dòng)周期的一半，而且壓力脈動(dòng)的幅值大幅下降，最大幅值從0.165MPa下降到0.06MPa，降低63.64%，說明交錯(cuò)布置葉片能有效降低離心泵出口的壓力脈動(dòng)。從頻域圖可知，交錯(cuò)布置葉片離心泵蝸殼出口處壓力脈動(dòng)主頻為720Hz，而對(duì)稱布置葉片葉輪離心泵蝸殼出口壓力脈動(dòng)主頻以360Hz為主。葉片交錯(cuò)后相當(dāng)于葉片數(shù)增加1倍，故葉片交錯(cuò)前后蝸殼出口處壓力脈動(dòng)主頻第一主頻均為葉頻。

3.2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)

圖5～圖6分別為最優(yōu)工況下兩種葉輪形式的離心泵蝸殼內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖，表1為兩種葉片布置下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰值。從圖5可以看出，交錯(cuò)布置葉片和對(duì)稱布置葉片時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)周期性非常明顯，交錯(cuò)布置葉片離心泵的蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)周期為對(duì)稱布置葉片葉輪離心泵脈動(dòng)周期的一半。葉片交錯(cuò)后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2和P4的壓力脈動(dòng)波形基本不變，P1和P3的壓力脈動(dòng)波形變化較大。交錯(cuò)布置葉片離心泵蝸殼內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力平均值比對(duì)稱布置葉片離心泵的壓力平均值明顯減小，而且壓力脈動(dòng)振幅也明顯下降。

圖4 泵出口壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖

圖5 壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

從圖6可以看出，葉片對(duì)稱布置時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻都為360Hz葉頻，次頻為720Hz。交錯(cuò)布置葉片離心泵各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻均為720Hz，次頻為1440Hz。由于葉片交錯(cuò)后相當(dāng)于葉片數(shù)增加1倍，故交錯(cuò)和對(duì)稱布置葉片離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻，次頻均為2倍葉頻。由此說明葉頻及其倍頻是影響離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)的重要因素。

圖6 壓力脈動(dòng)頻域圖

從表1中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰值可以看出，葉片交錯(cuò)前后蝸殼內(nèi)P1、P3點(diǎn)脈動(dòng)幅值分別降低7.99%、14.43%，幅度減小不大。葉片交錯(cuò)前后蝸殼內(nèi)P2、P4點(diǎn)脈動(dòng)幅值分別降低68.70%、51.78%，幅度減小較大。說明交錯(cuò)布置葉片能改善離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，但是不同的部位改善的程度有所不同。

表1 兩種葉片布置下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰值

4 結(jié)論

（1）兩種葉片布置方式的雙吸離心泵出口以及蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)均具有明顯的周期性，交錯(cuò)布置葉片離心泵出口壓力脈動(dòng)周期為對(duì)稱布置葉片時(shí)脈動(dòng)周期的一半，減小了壓力最大變化的次數(shù)，能使離心泵的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

（2）交錯(cuò)和對(duì)稱布置葉片葉輪離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻，次頻均為2倍葉頻。葉頻及其倍頻是影響離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)的重要因素。

（3）交錯(cuò)布置葉片較對(duì)稱布置時(shí)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力波動(dòng)幅度明顯減小，脈動(dòng)峰值有很大程度的降低，但在不同部位降低程度不同。交錯(cuò)布置葉片能有效改善離心泵蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性。

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