魏川，張楠

（唐山冀東水泥外加劑有限責(zé)任公司，河北 唐山 064000）

離心泵的運行是利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)的，通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)來帶動葉片間的液體相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，在離心力的作用下將液體實現(xiàn)從葉輪中心向外緣拋出，并賦予能量。傳統(tǒng)的離心泵的設(shè)計一般采用的是一元理論和相似理論，通過模型換算法和速度系數(shù)法來進行設(shè)計。對于離心泵的性能參數(shù)而言其最終的確定還是通過以離心泵樣機的實驗來進行揚程和流量的設(shè)計，并在實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，樣機實驗很容易帶來較大的誤差。隨著現(xiàn)代流體力學(xué)和相關(guān)流體分析軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在離心泵設(shè)計中的效果越來越好。本文將圍繞著離心泵內(nèi)部不穩(wěn)定流場壓力脈動特性，結(jié)合流體力學(xué)和相關(guān)流體分析軟件來進行分析與研究。

1 壓力脈動

理論研究表明，旋轉(zhuǎn)葉片與靜止的蝸殼之間的相對運用，及偏離最優(yōu)工況時候吸水室水流圓周運動，局部空氣及二次流等相關(guān)因素都會導(dǎo)致壓力脈動的產(chǎn)生。壓力脈動的產(chǎn)生往往會導(dǎo)致離心泵設(shè)備出現(xiàn)振動及噪聲，并且嚴重的時候往往還會對系統(tǒng)設(shè)備帶來較為嚴重的影響?；诖耍瑸榱颂岣唠x心泵運行的穩(wěn)定性，我們就需要對壓力脈動特性進行著重的分析和研究。對泵內(nèi)非穩(wěn)定流場的壓力脈動特性而言，在上文中已經(jīng)對其計算方法進行了相應(yīng)的論述。在本文的研究和論述中，將以低比轉(zhuǎn)數(shù)標準作為研究方法，通過運用相關(guān)計算方法來對不同工況下的壓力脈動特性進行分析和論述。

2 研究意義

為了研究離心泵內(nèi)非定常流動引起的壓力脈動現(xiàn)象及其特點，建立了某型離心泵流場的三維有限元網(wǎng)格。采用Fluent仿真技術(shù)和RNGk-ε湍流模型，通過設(shè)置監(jiān)測點，利用泵的流場計算非定常狀態(tài)，得到每個時間段的壓力。

我們通過利用FFT方法的葉輪和蝸殼檢測而言，從目前檢測研究中，我們可以大致了解到，葉輪與蝸殼的內(nèi)部壓力脈動主要集中在葉頻及倍頻，此外，葉輪與蝸殼之間的相對動靜關(guān)系也會對壓力脈動產(chǎn)生較大的影響。對于目前的離心泵應(yīng)用而言，隨著其應(yīng)用越來越廣泛，對其設(shè)計效率的提升也越來越重要，通過對振動和噪聲的降低能夠有效的實現(xiàn)離心泵的高效利用，對于推動離心泵發(fā)展而言有著十分重要的意義。對于流體的振動而言，在目前的離心泵振動源之中是比較嚴重的源頭之一，振動對于機體的影響十分的嚴重，因此，我們需要對流體引起的振動進行重視，并盡可能的對流體振動流量因素進行論述和研究。

3 計算區(qū)域及方法

3.1 計算區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)

設(shè)計條件下，水泵運行參數(shù)：流量24m3/h，出口壓力0．46MPa，轉(zhuǎn)速1460r/min。葉輪葉片依次為10，6，6。計算區(qū)域包括吸入室、三葉輪和蝸殼，水壓室的整個流程。根據(jù)計算面積的復(fù)雜程度，本文首先使用Proe對離心泵進行三維實體建模，然后將實體模型HyperMesh布爾運算來獲得離心泵機實體模型。

3.2 計算方法

對于離心泵而言，穩(wěn)定的數(shù)值計算能夠確保離心泵的運行能夠更加流暢。在一般情況下，穩(wěn)態(tài)數(shù)值的計算結(jié)果一般認定為非定常計算的初值，并且在葉輪與蝸殼之間會分別形成一定的網(wǎng)格，為了對葉輪與蝸殼之間的干擾問題進行計算，在這里我們引入非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算來對相應(yīng)的問題進行處理。對于非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算的解釋，在美技術(shù)科學(xué)周刊中對其解釋如下：在二階迎風(fēng)格式中，利用二階中心差分格式離散擴散項和源項，利用代數(shù)解中的次松弛迭代法，利用頻域中的快速傅立葉變換。泵進口采用速度入口邊界條件，與進口截面均勻且垂直，給出了速度的初始值。出口滿足發(fā)展假設(shè)，即出口邊界的壓力和出口處的靜壓。

數(shù)值計算每個時間步長的每個監(jiān)測點的壓力值，并在對這些壓力值進行快速傅立葉變換（FFT）之后獲得壓力脈動的頻率域特性。

4 數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果分析

4.1 特性數(shù)值計算結(jié)果

通過相應(yīng)的計算和實驗得到流量揚程及流量曲線。其中各工況點的計算值是以某一葉片在一旋轉(zhuǎn)周期均勻索取的四個時刻的數(shù)據(jù)作為平均點。RNGk-＆方法能夠較為準確的將離心泵的外特性進行預(yù)測，計算的數(shù)值與實驗的結(jié)果相對趨向一致。不同工況的效率預(yù)測誤差也不超過百分之五。此外，其他各工況的揚程和效果相對誤差也比較穩(wěn)定。

4.2 壓力脈動結(jié)果分析

不同工況之下，隔舌處的壓力脈動使用特征，表現(xiàn)為波動特點，能夠快速通過傅里葉變化來得到相應(yīng)的頻域特性。此外，隔舌處的壓力脈動隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)也會呈現(xiàn)出周期性的變化趨勢，也就是，每當(dāng)葉輪葉片經(jīng)過隔舌處的時候，必然會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)葉片與靜止蝸殼之間的干擾，而在偏流量的工況下時，周期性依然表現(xiàn)的很明顯。總的來說，不同工況下的壓力脈動頻率以葉頻-291．6Hz為主。設(shè)計流量的脈動幅值相對較少，而離心泵一旦偏離設(shè)計流量運行的時候，就會導(dǎo)致脈動幅值增加。與起初的設(shè)計工況隔舌相比較，壓力脈動特性，其主頻率相對同步，但是振幅明顯小于隔舌部分，這一現(xiàn)象明顯表明了隔舌處的強壓力脈動是導(dǎo)致泵振動及噪聲的主要因素，同時也是影響機組穩(wěn)定性的重要因素。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力脈動向上游進行傳遞的時候，能量會呈現(xiàn)出逐漸減少的特點。

此外，蝸殼出口的兩側(cè)的壓力脈動的主頻與幅值相對保持一致，這也足以說明葉輪和隔舌在相互作用的情況下所產(chǎn)生的壓力脈動會隨著流體的運動向下游進行傳遞，其中能量成本基本會保持一致。而在向下游的傳遞過程中，壓力脈動的變化將開始逐漸的平穩(wěn)，幅值會大幅的衰弱，這時候的壓力脈動頻率就會穩(wěn)定在一個較好的水平階段之上。

本研究總結(jié)相關(guān)特性如下。

（1）不同半徑葉輪處壓力脈動的頻率和振幅分布不同，葉輪在不同結(jié)構(gòu)下的壓力脈動頻率和振幅分布也不同，且上下游過流分量對葉輪內(nèi)的壓力脈動分布不同。

（2）葉輪和蝸殼的靜動力干擾導(dǎo)致流體流動不穩(wěn)定，造成壓力脈動較大。壓力脈動的主要頻率是葉片頻率及其乘數(shù)。

（3）根據(jù)不同測點壓力脈動的頻譜特征，分析了離心泵壓力脈動的來源。根據(jù)頻譜的分布特點，合理選擇葉輪類型、葉片數(shù)量和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，各部件的固有模式對振動和噪聲性能的改善具有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

對于離心泵內(nèi)的壓力脈動而言，主要集中于中頻段位置，多數(shù)情況下葉頻為轉(zhuǎn)頻和葉輪葉片數(shù)量的乘積。旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止蝸殼之間得到相互干擾往往會產(chǎn)生中頻壓力脈動，隔舌起到了主要的作用，同時也是壓力脈沖產(chǎn)生的主要脈動源。另外，壓力脈動在整個離心泵流道之間的傳播，會隨著液體的運動方向也逐漸運動，引起蝸殼內(nèi)的壓力脈動，同時也會影響到葉輪的進口部位。另外，葉輪的沿葉片流道是以前后流動為主的，壓力脈動的幅值逐漸增大的時候，壓力面脈動幅值將會逐漸增強。

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