萬(wàn) 倫，宋文武， 符 杰，羅 旭，陳建旭，虞佳穎

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

0 前 言

離心泵在石油、火力發(fā)電、核能發(fā)電等行業(yè)中作為一種重要的輸送設(shè)備，其性能與生產(chǎn)效率的高低緊密相連。因此，提高泵的性能對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的整體高效運(yùn)行具有十分重要的意義。潘中永、周嶺等[1-7]學(xué)者從離心泵的口環(huán)間隙、葉輪進(jìn)口邊位置、誘導(dǎo)輪時(shí)序位置、葉片數(shù)及分流葉片位置、葉片包角、誘導(dǎo)輪偏轉(zhuǎn)角、葉片厚度、葉片出口角等對(duì)離心泵的性能展開(kāi)了研究，但是對(duì)離心泵蝸殼的研究不多。蝸殼是泵內(nèi)部的關(guān)鍵過(guò)流部件,其作用是使液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜壓能。van Esch B P M[8]研究發(fā)現(xiàn)離心泵中的20%水力損失是由蝸殼造成的；Hodkiewicez M R[9]研究發(fā)現(xiàn)壓水室為雙蝸殼時(shí)，分布在葉輪的徑向力更加均勻，且當(dāng)設(shè)置兩個(gè)均勻?qū)ΨQ的流道時(shí)，葉輪的穩(wěn)定性更好；郭鵬程等[10]研究了離心泵蝸殼內(nèi)旋渦流動(dòng)情況，采用數(shù)值模擬的方法得到由于葉輪和蝸殼的不對(duì)稱性，蝸殼中的周向不對(duì)稱性是非常強(qiáng)烈的；祝磊等[11]研究了離心泵動(dòng)靜干涉的影響時(shí)采用了三種不同形式的隔舌，得到中舌和短舌對(duì)離心泵隔舌處的壓力脈動(dòng)以及葉輪的徑向力有很大的影響；施衛(wèi)東等[12]研究了隔舌安放角對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵非定常的影響，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法得到隨著隔舌安放角的增大，隔舌處的壓力脈動(dòng)值呈減小的趨勢(shì)；牟介剛等[13]研究了壓水室的隔舌安放角對(duì)離心泵無(wú)過(guò)載性能的影響，得到隨著喉部面積的增加，泵更容易達(dá)到其飽和功率且葉輪和蝸殼的靜壓增加；仇晶等[14]進(jìn)行了基于流固耦合的隔舌安放角對(duì)雙流道泵的性能影響分析，得到泵的隔舌安放角對(duì)其振動(dòng)影響比較大且較大的隔舌安放角有利于減小振動(dòng)；葉莉[15]研究了隔舌安放角與離心泵水動(dòng)力特性的關(guān)系，得到隔舌安放角對(duì)非設(shè)計(jì)工況尤其是小流量工況的對(duì)稱作用改善比較明顯，離心泵的徑向力受隔舌安放角的影響較??；劉宜等[16]研究了隔舌安放角對(duì)單吸雙吸式離心泵性能的影響，得到隔舌安放角的大小與隔舌處的壓力、速度變化曲線緊密相關(guān)，存在一個(gè)最佳的隔舌安放角使其效率最佳。由此看出，隔舌安放角對(duì)離心泵的運(yùn)行研究具有十分重要的意義，而國(guó)內(nèi)外對(duì)低比轉(zhuǎn)速的離心泵研究比較多，那么中比轉(zhuǎn)速的離心泵流道相對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵流道冗長(zhǎng)，隔舌安放角將會(huì)引起中比轉(zhuǎn)速離心泵性能的如何變化。

本文主要研究隔舌安放角對(duì)中比轉(zhuǎn)速離心泵性能的影響，對(duì)一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為103的離心泵展開(kāi)研究，在保證蝸殼其他參數(shù)不變的情況下，取隔舌安放角分別為22°、25°、28°、31°、34°，分別在0.8Qd,1.0Qd, 1.2Qd下利用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬，分析泵的外特性、內(nèi)部流場(chǎng)以及壓力脈動(dòng)的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

研究的中比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計(jì)模型參數(shù)流量Qd=130 m3/h,轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=103,該離心泵過(guò)流部件的幾何參數(shù)為葉輪進(jìn)口直Dj=140 mm,葉輪出口直徑D1=262 mm，葉輪出口寬度b2=27 mm,葉片數(shù)Z=6，蝸殼基圓直徑D2=276 mm,蝸殼出口直徑D3=88 mm。采用Cfturbo對(duì)葉輪和蝸殼進(jìn)行三維水體建模，在葉輪和蝸殼其他幾何參數(shù)不變的情況下，建立不同的蝸殼隔舌安放角模型，隔舌安放角分別取22°、25°、28°、31°、34°。為了減小進(jìn)出口對(duì)泵內(nèi)部流動(dòng)造成的影響，在UG中分別對(duì)進(jìn)出口進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由臁?/p>

1.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值模擬

應(yīng)用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，考慮到模型比較復(fù)雜，采用適應(yīng)性比較好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，為了減少計(jì)算的時(shí)間以及提高計(jì)算的精度，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1986407，進(jìn)口延長(zhǎng)段網(wǎng)格數(shù)為168 513，葉輪網(wǎng)格數(shù)為843 800，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為822 006，出口延長(zhǎng)段網(wǎng)格數(shù)為152 088，以隔舌安放角φ0=22°，葉輪和蝸殼計(jì)算域網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 蝸殼和葉輪網(wǎng)格圖Fig.1 volute and impeller grid diagram

2 物理模型

2.1 控制方程

該數(shù)值模擬采用RNGk-ε湍流模型,其湍動(dòng)能方程為[17]:

(1)

式中：αk為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；ue為有效黏性系數(shù)；k為湍動(dòng)能；Gk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；ε為湍動(dòng)能耗散率。

2.2 邊界條件設(shè)置

采用CFX軟件對(duì)中比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算湍流模型采用RNGk-ε,邊界條件采用總壓進(jìn)口，質(zhì)量流出口，計(jì)算壁面采用無(wú)滑移網(wǎng)格函數(shù)[19]，動(dòng)靜交界面設(shè)置為Frozen rotor，定常計(jì)算步數(shù)為1 000，收斂精度為10-5。在進(jìn)行非定常計(jì)算時(shí)，以定常計(jì)算的結(jié)果為基礎(chǔ)，動(dòng)靜交界面的設(shè)置條件改為“Transient frozen rotor”,計(jì)算周期為6，旋轉(zhuǎn)4°為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)即 4.5997 7×10-4s，每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代次數(shù)為10次，計(jì)算殘差最大值為10-5。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外特性分析

在保證其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，對(duì)設(shè)計(jì)模型在0.8Qd,1.0Qd,1.2Qd三種工況下進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算，得到5種不同蝸殼隔舌安放角的水力性能，如圖2所示。

圖2 外特性曲線Fig.2 External characteristics curve

從圖2中可以看出，隨著隔舌安放角的增大，揚(yáng)程曲線越趨于平穩(wěn)；小流量時(shí)，隔舌安放角越大，揚(yáng)程越大，大流量時(shí)，安放角越小，揚(yáng)程下降的越快；在設(shè)計(jì)流量下，揚(yáng)程隨隔舌安放角的增大而增大，但是增大到一定角度即28°時(shí)，最佳揚(yáng)程點(diǎn)又開(kāi)始下降，所以存在一個(gè)較佳的隔舌安放角使其在設(shè)計(jì)工況下?lián)P程最佳；從效率曲線可以看出，在小流量時(shí)，隔舌安放角對(duì)離心泵的效率影響很小，效率曲線趨于一致，在設(shè)計(jì)工況下，隨安放角的增大，離心泵的效率增加，且增加到一定角度后最佳效率點(diǎn)開(kāi)始下降，在安放角為28°時(shí)效率達(dá)到最大，且最佳效率點(diǎn)向大流量點(diǎn)偏移，在大流量時(shí)，安放角越小，水力效率下降的越快，22°時(shí)最為明顯。結(jié)果表明：隨隔舌安放角的增大，存在一個(gè)最佳隔舌安放角使離心泵效率最佳和設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程最高，且最佳效率點(diǎn)向大流量點(diǎn)偏移。

3.2 壓力分布

圖3為設(shè)計(jì)工況時(shí)不同隔舌安放角下葉輪和蝸殼截面的靜壓云圖分布，從圖中可以看出，葉輪內(nèi)的壓力云圖分布差異不大，由于蝸殼的不對(duì)稱性以及蝸殼對(duì)葉輪造成的動(dòng)靜干涉影響，葉輪內(nèi)的壓力分布不均勻，葉輪對(duì)流體做功，流體在葉輪流道中逐漸獲得能量，出口壓力逐漸增大；蝸殼靜壓的分布受隔舌安放角的影響比較大，隨著隔舌安放角的增大，流經(jīng)隔舌部分的流體靜壓增大，且蝸殼出口處的壓力也隨之增大，亦即在設(shè)計(jì)流量下，隔舌安放角的變化對(duì)隔舌附近的流體靜壓影響較大。

圖3 不同隔舌安放角下截面的靜壓云圖Fig.3 Different angle diaphragm placed under the section of the static pressure cloud

3.3 速度流線分布

在設(shè)計(jì)流量Qd=130 m3/h時(shí)對(duì)不同隔舌安放角下離心泵的葉輪和蝸殼進(jìn)行速度流線分析，不同隔舌安放角下速度流線如圖4所示。由圖可知，不同隔舌安放角下離心泵葉輪內(nèi)的流線分布差異較小，且葉輪的流線分布與葉片線型趨于一致，低速區(qū)主要集中在葉片背面，蝸殼內(nèi)流體的速度比較大；隨著隔舌安放角的增加，隔舌處的低速區(qū)增大，隔舌安放角為34°時(shí)的隔舌低速區(qū)明顯大于其他四種隔舌安放角，此外，隔舌安放角越小，隔舌處的流線越平順光滑，出口處的流線分布更加均勻，隔舌安放角為22°時(shí)隔舌處和蝸殼出口處的流線最為均勻。

圖4 不同隔舌安放角下葉輪和蝸殼的流線圖Fig.4 Flow diagram of impeller and volute at different spacer placement angles

3.4 壓力脈動(dòng)特性

為了進(jìn)一步研究5種隔舌安放角對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響，在設(shè)計(jì)工況下分析5種不同隔舌安放角對(duì)離心泵的壓力脈動(dòng)的影響。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖5所示，為了更好的對(duì)比分析不同隔舌安放角下離心泵的壓力脈動(dòng)，引入壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp,其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：P為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)壓力，Pa；Pavg為該周期內(nèi)的平均壓力，Pa；u為葉輪出口處的圓周速度，m/s。

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果中的非定常計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，為保證計(jì)算結(jié)果的精度以及準(zhǔn)確度，取非定常計(jì)算穩(wěn)定后最后一圈得到的瞬態(tài)條件下的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓作為結(jié)果進(jìn)行分析，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)系數(shù)變化趨勢(shì)如圖6所示，不同隔舌安放角下壓力脈動(dòng)系數(shù)呈周期性變化，在葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)均出現(xiàn)6次波峰與波谷，這是由于葉輪有6個(gè)均勻分布的葉片造成的，在相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，不同隔舌安放角下壓力脈動(dòng)系數(shù)變化趨勢(shì)是一致的。由于葉輪出口處會(huì)受到射流-尾跡的影響以及蝸殼的不對(duì)稱性，P1～P4四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波形之間存在明顯差異，P1監(jiān)測(cè)點(diǎn)尤為突出，但是四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的幅值大致相同。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P4靠近葉輪和蝸殼的動(dòng)靜交界面，所以這四點(diǎn)的壓力系數(shù)變化會(huì)出現(xiàn)陡降和驟增的現(xiàn)象，但是主要壓力脈動(dòng)系數(shù)波動(dòng)較隔舌點(diǎn)P5和蝸殼出口點(diǎn)P6的波動(dòng)小。P1～P6監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)隨隔舌安放角的增大而減小，P6監(jiān)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)最為明顯，因此適當(dāng)?shù)脑龃蟾羯喟卜沤强梢詼p小流體在流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)影響。從圖中還可以看出，P6處的壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值較P5處的小，這是由于P5點(diǎn)受蝸殼隔舌的影響比較大，同時(shí)P6點(diǎn)離葉輪的徑向距離比較大，且該點(diǎn)位于蝸殼的螺旋段以后，也是其壓力脈動(dòng)較小的原因之一。

圖5 蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5 Volute monitoring point schematic

圖6 不同隔舌安放角下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)時(shí)域特性圖Fig.6 Time-domain characteristics of the pulsation at the monitoring points with different spacer placement angles

圖7顯示蝸殼隔舌處點(diǎn)P5和蝸殼出口點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)頻域圖分布，因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，故轉(zhuǎn)頻F=24.17 Hz,葉片數(shù)Z=6，則葉頻為145 Hz。在分析流體的壓力脈動(dòng)時(shí)，有葉輪葉片對(duì)流體的影響頻率為轉(zhuǎn)頻的Z倍。從圖7(a)和圖7(b)中可以看出：P5點(diǎn)和P6點(diǎn)最高峰值頻率均發(fā)生在葉頻(145 Hz)處,P5點(diǎn)即隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值明顯高于P6出口點(diǎn)。在圖7(a)中，隔舌安放角為28°的壓力脈動(dòng)幅值最小，這也是其效率最高的原因之一；在圖7(b)中，壓力脈動(dòng)幅值隨隔舌安放角的增大呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)安放角由31°變?yōu)?4°時(shí)，脈動(dòng)幅值稍微減小，但是變化不大，由此可得增大隔舌安放角可適當(dāng)改善離心泵出口壓力脈動(dòng)。

圖7 不同隔舌安放角下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)頻域特性圖Fig.7 Pulsating frequency characteristics of different monitoring points under the diaphragm placement angle

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為103的中比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，分別從外特性、內(nèi)流場(chǎng)特性以及壓力脈動(dòng)3個(gè)指標(biāo)出發(fā)分析了隔舌安放角對(duì)離心泵性能的影響，得出結(jié)論如下。

(1)不同的隔舌安放角對(duì)離心泵的水力性能有較大影響，適當(dāng)?shù)脑龃蟾羯喟卜沤怯兄谔岣唠x心泵的水力效率和揚(yáng)程，存在一個(gè)最佳隔舌安放角使其水力性能最佳，且最佳效率點(diǎn)向大流量點(diǎn)偏移。

(2)不同的隔舌安放角對(duì)離心泵葉輪的壓力分布影響較小，對(duì)蝸殼隔舌和出口處的靜壓影響較大，蝸殼隔舌和蝸殼出口處的靜壓隨隔舌安放角的增大而增大。

(3)不同的隔舌安放角對(duì)蝸殼隔舌和出口處的流線影響較大，隔舌安放角越小，隔舌和蝸殼出口處的流線越光滑平順，即安放角為22°時(shí)最優(yōu)。

(4)不同的隔舌安放角下，離心泵的壓力脈動(dòng)均呈周期性變化，隨隔舌安放角的增大，離心泵出口處的壓力脈動(dòng)幅值呈先增加后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明存在一個(gè)最佳隔舌安放角使其壓力脈動(dòng)幅值最小，適當(dāng)?shù)脑龃蟾羯喟卜沤强梢詼p小蝸殼出口處的壓力脈動(dòng)。