李 照
(云南恒誠建設監(jiān)管咨詢有限公司,昆明 650051)
泵站是我國水利建設工程的重要組成部分,在農業(yè),工業(yè)等方面應用廣泛。部分泵站具有反向發(fā)電功能,可進行反向發(fā)電。此時混流泵偏離設計工況,反向運行過程中會產(chǎn)生較大的壓力脈動及噪聲,甚至引發(fā)廠房振動,對工作設備及人員安全構成威脅。因此,對水泵在反向發(fā)電時的壓力脈動及流動誘導噪聲的研究具有重要意義。
對于水泵的正向工況下的壓力脈動特性的研究很多,施衛(wèi)東[1]等運用SMPLEC算法,對軸流泵全流場進行三維非定常數(shù)值模擬,探究不同工況及不同導葉數(shù)情況下軸流泵的壓力脈動特性;王福軍[2]等運用大渦模擬方法對軸流泵不穩(wěn)定流場進行數(shù)值模擬,探究泵的流動特征;鄭源[3]等結合某貫流泵裝置模型試驗,研究了轉輪出水口的壓力脈動情況;李晨光[4]等對兩級雙吸離心泵內部流場進行了定常和非定常模擬,分析了泵的能量特性和壓力脈動特性;董亮[5]等對不同的葉片安放角對離心泵透平噪聲的影響進行了研究;袁壽其[6]通過模型試驗,對研究離心泵內部壓力脈動和流動噪聲在不同工況下的變化規(guī)律及其關系進行研究。
前人對水泵的壓力脈動特性規(guī)律研究廣泛,但對于水泵在進行反向發(fā)電時的壓力脈動規(guī)律研究很少,對壓力脈動對流動誘導噪聲的影響研究更少。本文通過對水泵進行全流道數(shù)值模擬,探究水泵在進行反向發(fā)電情況下,壓力脈動分布規(guī)律及對流動誘導的影響,為泵站反向發(fā)電的穩(wěn)定運行提供參考。
本文某泵站的混流泵為計算模型,其基本參數(shù)如下:設計流量Q=9.5 m3/s,設計揚程為H=6.7 m,轉速n=250 r/min,轉輪葉片數(shù)Z=5,導葉數(shù)為6片。流道由泵工況下進水流道、轉輪、導葉及出水流道四個部分組成,流道整體圖如圖1所示。
圖1 流道整體圖Fig.1 Flow chart
采用CFD對整體流道進行網(wǎng)格劃分。因轉輪結構比較復雜,采用非結構化網(wǎng)格進行劃分。為提高計算精度,劃分網(wǎng)格時對轉輪葉片進行了加密處理,轉輪網(wǎng)格如圖2所示[7]。近壁面處采用邊界層網(wǎng)格,控制其y+值在30~100內。對網(wǎng)格無關性進行驗證后,各個部分網(wǎng)格總量為550萬左右,網(wǎng)格質量控制在0.3以上。各部分網(wǎng)格單元數(shù)及網(wǎng)格質量見表1。
圖2 轉輪網(wǎng)格圖Fig.2 Wheel grid graph
部件單元數(shù)網(wǎng)格質量進水流道796 3420.50轉輪2 583 0210.30導葉1 281 9760.35出水流道832 7250.60總計5 495 064
為監(jiān)測混流泵反向發(fā)電時各截面壓力脈動情況,選取全流道的三個截面,依次為反向發(fā)電工況下導葉進口處,轉輪進口處及轉輪出口處分別徑向設置監(jiān)測點,監(jiān)測各個點在轉輪轉動時的壓力值。各個監(jiān)測點監(jiān)測面如圖3所示,在導葉進口靠輪轂處設置監(jiān)測點A1,從輪轂處至邊緣處均勻設置三點A1,A2,A3;在轉輪進口輪轂至轉輪邊緣均勻設置三點B1,B2,B3; 在轉輪出口輪轂至轉輪邊緣均勻設置三點C1,C2,C3,如圖4所示[8]。
圖3 監(jiān)測面示意圖Fig.3 Monitoring surface schematic diagram
圖4 監(jiān)測點示意圖Fig.4 Monitoring point schematic diagram
進行定常計算時,設置動靜交接面為冷結轉子類型即frozen rotor interface,轉輪出口邊界條件設置為壓力出口,設置時間步長為0.001 s;進行非定常計算時,設置動靜交接面為瞬態(tài)凍結轉子類型即transient rotor,轉輪邊界條件保持不變。湍流模型選取為SSTk-ε,采用自動壁面函數(shù),固體面設置為無滑移,湍流黏度項采用二階迎風格式,在時間域上采用二階全隱式進行離散,為確保進行壓力脈動計算時非定常結果的穩(wěn)定性,設置總的采樣時間為10個周期,設置時間步長為0.001 s,收斂殘差為10-4,選取計算最后3個周期各點監(jiān)測數(shù)據(jù)分析壓力脈動規(guī)律[9]。
計算模型采用FW-H模型,聲源設置為導葉區(qū),轉輪區(qū)的所有固體壁面。基于壓力脈動非定常流場進行聲場計算。采用間接法進行流動誘導噪聲的求解,因在非空化狀態(tài)下,泵內部流動誘導噪聲聲源主要為偶極子源,此處主要針對葉片旋轉偶極子源所引起的流動誘導噪聲進行分析。定義葉片通過頻率為BYP:
BYP=Zn/60
(1)
式中:Z為模型葉片數(shù);n為轉速;計算模型葉片數(shù)為Z=5,n=150 r/min,則BYP=2.5 Hz,葉片通過頻率為12.5 Hz。
圖5為水泵在反向發(fā)電時的壓力脈動時域圖,分別對導葉進口處,轉輪進口處及轉輪出口處三個截面的壓力脈動時域圖進行分析。圖5(a)為導葉進口處壓力脈動時域圖,由圖5可知,當水泵在進行反向發(fā)電時,導葉進口截面處水流經(jīng)過進水流道流向導葉時,受轉輪轉動影響較大,一個周期內存在五個較明顯的波峰與波谷,這與葉片數(shù)保持一致,壓力脈動呈周期性波動[10]。A1,A2,A3沿轉輪輪轂至轉輪邊緣分布,在三個周期內,水流在進入導葉前沿進水流道進入,經(jīng)過導葉順流水流較為均勻地進入轉輪,可以看出三點的壓力脈動幅值規(guī)律接近,均在700 Pa附近波動。
圖5(b)為轉輪進口處截面壓力脈動時域圖,B1,B2,B3沿轉輪輪轂至轉輪邊緣分布。此時水流從導葉流出進入轉輪,因受轉輪轉動的影響加劇及導葉與轉輪間的動靜干涉作用強烈,三點處壓力脈動呈現(xiàn)周期性波動,各點的壓力脈動幅值較導葉進口處大幅增加。其中因轉輪邊緣空間狹小,水流流動變化劇烈,靠輪緣處B3的壓力脈動幅值最大,在2 100 Pa上下波動,約為水流進入導葉前邊緣處的3倍;近輪轂處壓力脈動幅值最小,在1 500 Pa上下波動,約為水流進入導葉近輪轂處的2倍。
圖5 壓力脈動時域圖Fig.5 Time domain diagram of pressure pulsation
圖5(c)為轉輪進口處截面壓力脈動時域圖,C1,C2,C3沿轉輪輪轂至轉輪邊緣分布。水流在流過轉輪時,仍受轉輪旋轉影響,邊緣處C3點壓力值上下波動,C1,C2兩點的壓力值較進入轉輪前穩(wěn)定,壓力脈動幅值減小。因水流出轉輪后,轉輪轉動對水流的作用減弱,三點的壓力脈動幅值較進入轉輪前的三點的壓力脈動幅值減小,C1,C2點處壓力脈動不明顯。其中C3點處的水流處于轉輪旋轉邊緣處,此處水流在出轉輪時流速較高,水流不穩(wěn)定,此處仍存在較大的壓力脈動,其幅值約為2 000 Pa,約為進入轉輪前的1.31倍。
定義無量綱Cp為壓力脈動系數(shù),其表達式如公式(2)所示:
(2)
式中:Cp為壓力脈動系數(shù);p為各點壓力脈動值,Pa;pv為選定周期內靜壓平均值,Pa。
圖6為壓力脈動頻域圖,分別為導葉進口處截面,轉輪進口處截面及轉輪出口處截面的監(jiān)測點的壓力脈動頻域圖。導葉進口處截面壓力脈動頻域圖如圖6(a)所示,A1,A2,A3沿轉輪中心至轉輪邊緣處分布。水流從進水流道進入導葉時,各點的壓力脈動頻率主要集中在低頻,此時水流已受轉輪轉動影響,水流頻率主要集中在2.5 Hz,轉頻占主導地位,主頻的壓力脈動系數(shù)約為0.009 8;此外在葉頻12.5 Hz處也存在一定的壓力脈動系數(shù),約為0.002 4,約為主頻的0.245倍。
轉輪進口處截面壓力脈動頻域圖如圖6(b)所示,B1,B2,B3沿轉輪中心至轉輪邊緣處分布。此時水流經(jīng)過導葉,受轉輪轉動的影響加劇,各點較進入導葉前的壓力脈動頻率規(guī)律更加復雜,主要集中在低頻,葉片通過頻率為12.5 Hz占主導頻率,次頻為轉動頻率2.5 Hz,在高頻處也存在廣泛的壓力脈動。水流進入轉輪前流態(tài)紊亂加劇,各點的壓力脈動系數(shù)較水流進入導葉處增加,最大壓力脈動系數(shù)約為0.022 4,約為進入導葉前的2.33倍。
轉輪進口處截面壓力脈動頻域圖如圖6(c)所示,C1,C2,C3沿轉輪中心至轉輪邊緣處分布。水流經(jīng)過轉輪后,受轉輪干擾增強水流出現(xiàn)紊亂,三點的壓力脈動幅值頻率變化并不均勻,各點的壓力脈動系數(shù)較進轉輪前大大增加,壓力脈動頻率主要集中在低頻。C1處位于轉輪中心,其壓力脈動頻率主要集中在0~12.5 Hz且幅值很大,約為進入轉輪前的7倍。水流在出轉輪時流態(tài)分布不均且紊亂嚴重,點C2,C3處壓力脈動系數(shù)約為0.02,較進入轉輪前增加1.36倍。
圖6 壓力脈動頻域圖Fig.6 Frequency domain diagram of pressure pulsation
為監(jiān)測外場監(jiān)測點聲壓變化,在導葉與轉輪間距離分別為20,30,40 mm處監(jiān)測聲壓值大小,將聲壓值轉換成聲壓級進行傅里葉變換[11]。如圖7所示,可以看出水泵在進行反向發(fā)電時,導葉區(qū)與轉輪區(qū)的產(chǎn)生的噪聲主要為離散噪聲[12]。在20,30,40 mm處的壓力噪聲值均超過100 dB,其中20 mm處離轉輪區(qū)較近,受轉輪轉動的噪聲影響嚴重,聲壓等級最高達到120 dB,隨著離轉輪區(qū)距離增大,聲壓級有所降低。
圖7 聲壓級頻譜圖Fig.7 Sound pressure level spectrum
為研究聲向指向性分布,對XY平面上的外場噪聲進行分析。在Y=0的平面上,作直徑為1 m的圓,沿圓形一周每間隔10°布置監(jiān)測點,共36個監(jiān)測點,對一階頻率及三級頻率進行分析[13]。如圖8所示,顯示一階頻率及三級頻率的噪聲指向性及輻射水平。聲壓顯示的偶極子特性明顯,一階頻率具有良好的對稱性,葉片通過頻率為2.5 Hz,極小值在60°及240°附近,約為60 dB,極大值在150°及330°附近,最大值約為120 dB,此時水泵在進行發(fā)向發(fā)電時,水流從導葉進入轉輪,因進水流道的限制使得水流并不完全均勻進入轉輪,且該位置處于動靜干涉面,水流前后變化大,產(chǎn)生較大的流動誘導噪聲。三階葉頻近似圓形,聲場分布均勻,且聲壓級約130 dB附近,高于葉頻聲壓級約8%。此時混流泵在進行反向發(fā)電時,存在于三階葉頻相近的固體振動,帶動固體與流體發(fā)生共振,使得其聲壓值較大[14]。為減小共振聲壓級,應避免水泵固體的固有頻率與葉片通過頻率各倍頻接近。
圖8 外場噪聲指向性分布Fig.8 Directivity distribution of outfield noise
(1)混流泵在進行反向發(fā)電時,水流受轉輪轉動作用明顯,在導葉進口及轉輪出口處壓力脈動呈現(xiàn)周期性,導葉進口處壓力脈動主頻以轉頻為主,轉輪進口處主頻以葉頻為主。對導葉進口,轉輪進口及轉輪出口的壓力脈動進行分析,此時水泵處于非設計工況,水流壓力脈動幅值在轉輪出口處最大,約為轉輪進口的1.3倍,約為導葉進口的3倍,壓力脈動幅值從輪轂到輪緣逐漸減小。
(2)采用邊界元法對混流泵進行法向發(fā)電時的聲場進行研究,轉輪區(qū)與導葉區(qū)產(chǎn)生的噪聲以離散噪聲為主,壓力脈動主頻與流動誘導噪聲主頻不一致,主要是由于混流泵的固體結構與水流發(fā)生共振,使得噪聲三階葉頻的聲壓級增大。在實際運行中,要避免水泵結構固有頻率與水流的葉頻及其倍頻產(chǎn)生共振,以降低水泵反向運行的流動誘導噪聲。
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