孔繁余， 張坤， 童凱， 錢文飛， 汪家瓊

(江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

壓力脈動特性及其發(fā)展規(guī)律對緊湊型磁力泵的平穩(wěn)運行有重要影響.在葉輪上游的軸流段管道內(nèi)布置誘導輪，可提高葉輪進口處的壓力使其不低于流動介質(zhì)的汽化壓力，提高泵抗汽蝕性能[1-3].但目前缺少對緊湊型磁力泵內(nèi)設置誘導輪后壓力脈動影響的研究.

國內(nèi)外許多學者針對離心泵內(nèi)的壓力脈動特性進行了研究.葉長亮等[4]運用數(shù)值模擬的方法對雙進口兩級雙吸離心泵的過渡流道壓力脈動機理進行了非定常流場分析.張寧等[5]通過試驗研究的方法，對比了3種不同的口環(huán)間隙對低比轉(zhuǎn)速離心泵壓力脈動的分析.黃凱樂等[6]采用DES方法對多級離心泵在不同工況下進行非定常數(shù)值模擬分析.ISSA等[7]采用非定常數(shù)值模擬的方法研究了離心泵葉輪葉片和蝸殼隔舌之間的相互作用關系.BERTEN等[8]通過試驗研究了高速離心泵在各種工況下的壓力脈動分析.裴吉等[9]運用CFD非定常數(shù)值模擬與樣機試驗相結(jié)合的方法,對余熱排出泵的壓力脈動進行了研究.其研究結(jié)果對降低泵內(nèi)部的壓力脈動提供了一定的參考.李欣等[10]通過試驗對誘導輪流道內(nèi)的壓力脈動進行了分析.SPENCE等[11]運用參數(shù)化研究的方法,改變雙蝸殼雙吸泵結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),通過數(shù)值模擬對各種方案壓力脈動進行分析.ANTONIO等[12]采用了大渦模擬的方法，計算結(jié)果說明了對擴壓件的幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化能夠降低泵流道內(nèi)的低頻脈動.

以上研究主要針對離心泵內(nèi)壓力脈動進行研究，而對緊湊型磁力泵內(nèi)設置誘導輪后壓力脈動影響的研究鮮見文獻報道.文中應用CFD數(shù)值計算方法，根據(jù)在葉片進口處是否前置誘導輪，分別對葉輪、蝸殼流域的壓力脈動進行計算，并進行對比分析.

1 計算模型和數(shù)值計算方法

1.1 計算模型

選取GCB500-130型緊湊型磁力泵為研究對象,該磁力泵設計性能參數(shù)分別為流量Qd=30 m3/h，揚程Hd=130 m,轉(zhuǎn)速n=7 800 r/min.泵的主要部件包括蝸殼泵體、連接體、外磁轉(zhuǎn)子體、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子體、誘導輪、隔離套、電動機等.泵水體模型如圖1所示.

為了能夠獲得較好的汽蝕性能，文中設計了一種變螺距誘導輪,該誘導輪主要參數(shù)分別為必需汽蝕余量NPSHR=8 m,比轉(zhuǎn)數(shù)ns=67.5,汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C=808.采用Pro/E軟件對誘導輪進行三維建模,葉片部分三維模型如圖2所示.

圖1 泵全流場水體模型

圖2 誘導輪三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分及無關性驗證

采用ICEM對泵全流場水體模型進行網(wǎng)格劃分.由于誘導輪的形狀比較復雜，故對其采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對其余過流部分進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.圖3為全流場水體網(wǎng)格及誘導輪水體網(wǎng)格劃分.

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

1.3 網(wǎng)格無關性驗證

在額定工況下，對磁力泵進行多次網(wǎng)格劃分,并分別對其進行數(shù)值模擬，以計算的揚程和效率變化作為網(wǎng)格無關性檢驗的標準，結(jié)果如表1所示，表中N為網(wǎng)格數(shù)，H為揚程，η為效率.

表1 網(wǎng)格無關性驗證

由表1可以看出,當網(wǎng)格總數(shù)超過2 467 029時，揚程和效率的計算值變化很小，小于1%.此時各主要計算域的網(wǎng)格數(shù)分別為進水管65 005，前泵腔245 318，誘導輪510 112，后泵腔539 406，輪緣間隙22 636，蝸殼361 640，過渡段63 471，出水管82 560，葉輪576 881.

1.4 監(jiān)測點布置

本次模擬中，在葉輪區(qū)域葉片表面與流道內(nèi)設置4個監(jiān)測點，分別為a1，b1，c1，d1；在蝸殼區(qū)域的中截面蝸殼基圓、隔板、隔舌等處設置5個監(jiān)測點，分別為a2，b2，c2，d2，e2，如圖4所示.

圖4 監(jiān)測點布置

1.5 數(shù)值計算

應用ANSYS-CFX軟件對緊湊型磁力泵進行非定常數(shù)值計算,采用標準k-ε湍流模型，進口、出口邊界條件分別設為靜壓進口和質(zhì)量流量出口，壁面為無滑移光滑壁面.計算時間步長設為6.41×10-5s，設置葉輪共旋轉(zhuǎn)10圈,為確保計算結(jié)果準確,取數(shù)值計算的第9—10圈的結(jié)果進行分析.

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

為更好地對比各監(jiān)測點在不同工況下的壓力脈動特性,引入壓力脈動系數(shù)Cp用來表達脈動幅值的變化[13],其公式為

(1)

應用CFD軟件對緊湊型磁力泵在3種流量工況(0.8Qd，1.0Qd，1.2Qd)下進行非定常計算，采用Origin軟件對所得的壓力數(shù)據(jù)進行處理并繪成時域圖及頻域圖.時域圖中，橫坐標表示時間.頻域圖中，橫坐標f/fn表示計算所得的壓力值經(jīng)快速傅里葉變換后的頻率與軸頻的比值.

2.1 葉輪流域壓力脈動分析

圖5為葉輪流域內(nèi)監(jiān)測點處在不同流量工況下的壓力脈動時域圖，從圖中可以看出：在小流量工況0.8Qd下，誘導輪對葉輪進口處的壓力脈動沒有明顯影響，有無誘導輪的脈動曲線趨勢及幅值基本一致；在額定流量工況1.0Qd下，誘導輪對葉輪進口處的影響較大，前置誘導輪后脈動幅值有較大增幅，在額定流量下有最高幅值0.018，該值是未設前置誘導輪時該流量工況下峰值的1.9倍，且有誘導輪時脈動曲線在同一時間內(nèi)存在的波峰波谷數(shù)均小于未前置誘導輪時；在大流量工況1.2Qd下，壓力脈動曲線趨勢基本一致，但有誘導輪時的脈動幅值稍高。這些現(xiàn)象說明葉片進口處的壓力脈動不僅會受到動靜干涉的影響，還受到誘導輪對流體產(chǎn)生的作用(見圖5a)．

不同的工況下，監(jiān)測點b1，c1，d1處在有無誘導輪時壓力脈動變化幅值基本一致，表明誘導輪對葉輪流道的壓力脈動的影響較小.監(jiān)測點c1較d1處波動稍大，說明葉片出口處受葉輪內(nèi)部的脈動影響較大,而蝸殼基圓附近的其余地方主要受到葉輪與蝸殼之間動靜干涉的作用.

圖6為葉輪流域內(nèi)壓力脈動頻域圖，可以看出：各監(jiān)測點處主頻均為軸頻；在葉輪前裝置誘導輪后，在首個葉輪葉片通過頻率內(nèi)脈動幅值比沒有誘導輪時的壓力脈動幅值低,這表明在葉輪前裝置誘導輪對減小泵內(nèi)振動具有積極作用；在1個葉頻周期內(nèi),軸頻和及其5倍諧頻的幅值趨勢明顯,表明軸頻為其主要頻率；從葉輪進口到葉輪出口，壓力脈動幅值逐漸增大,且在葉輪出口附近的葉片工作面上達到最大,表明在葉輪內(nèi)流體流動的正方向上，隨著液體流速的增大，液體受到葉輪和蝸殼之間的動靜干涉的影響逐漸升高，且在葉輪出口處受到的影響最大.

圖5 葉輪壓力脈動時域圖

圖6 葉輪壓力脈動頻域圖

2.2 蝸殼流域壓力脈動分析

在蝸殼流域內(nèi)，各監(jiān)測點處的壓力脈動時域圖如圖7所示，可以看出：在有無誘導輪時，除蝸殼隔舌處監(jiān)測點e2外,其余各監(jiān)測點的壓力脈動規(guī)律沒有顯著變化；在0.8Qd工況下,監(jiān)測點e2處的壓力脈動變化情況較為紊亂；在1.0Qd工況與1.2Qd工況下,隔舌處的壓力脈動規(guī)律在沒有裝置誘導輪時呈明顯的周期性變化,且裝置誘導輪時壓力脈動的最大值比未裝置誘導輪時更高；在監(jiān)測點a2處，由于蝸殼在此處的流道面積較小，流體經(jīng)過葉輪甩出后對蝸殼的內(nèi)壁面造成了較大的撞擊，因此監(jiān)測點a2處壓力脈動幅值會較高.

流體流入內(nèi)層隔腔時受到隔板起始端的影響,使在起始端處的壓力脈動出現(xiàn)駝峰.進入擴散段后，液流逐漸趨于穩(wěn)定流動,脈動幅度最大值在很小范圍內(nèi)波動，基本一致.

圖7 蝸殼壓力脈動時域圖

圖8為蝸殼流域各監(jiān)測點壓力脈動的頻域圖，可以看出：蝸殼內(nèi)壓力脈動的主頻均為5倍軸頻，這說明蝸殼內(nèi)壓力脈動的變化與葉輪的葉片數(shù)量有較大關系；蝸殼內(nèi)所有監(jiān)測點的壓力脈動系數(shù)的最大值均于1倍葉頻處出現(xiàn)，且在蝸殼的第一斷面到第四斷面流域內(nèi)，2倍葉頻處的壓力脈動系數(shù)幅值隨著流道斷面面積的增大而增大；每個監(jiān)測點在不同的工況下壓力脈動幅值均發(fā)生明顯的變化，但壓力脈動的強弱保持不變；非額定工況下隔舌處出現(xiàn)了明顯的低頻脈動，額定工況下低頻脈動最大值較小，這可能是由于在隔舌處出現(xiàn)了流動分離與旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象.這說明設計的葉輪和蝸殼應相互匹配，否則會對蝸殼隔舌處的壓力脈動特性造成較大影響，進而影響泵的運行穩(wěn)定性.因此，對各過流部件進行優(yōu)化設計可提高泵機組的運行穩(wěn)定性和安全性.

圖8 蝸殼壓力脈動頻域圖

3 樣機試驗

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性,對磁力泵進行外特性試驗，試驗在江蘇大學流體機械工程技術(shù)研究中心實驗室高速泵實驗臺進行，圖9為實驗臺現(xiàn)場.

圖9 緊湊型磁力泵高速實驗臺

圖10為泵外特性試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的對比，可以看出：在額定工況下，計算揚程為136.05 m,試驗揚程為135.90 m,二者之間的差值小于1%；在小流量工況下，計算揚程比試驗揚程低，差值約為3%；在大流量工況下,計算揚程比試驗揚程高,差值約為2.4%.

圖10 泵試驗外特性曲線

數(shù)值計算與試驗的結(jié)果趨勢一致,表明文中所采用的數(shù)值計算方法是可靠的.試驗中，實測泵機組的噪聲為89 dB，振動烈度為2.8 mm/s，噪聲振動達到B級.

4 結(jié) 論

1) 葉輪流域內(nèi)，相較于未設置誘導輪時，前置誘導輪在提高磁力泵吸入性能的同時，也會在葉輪進口處產(chǎn)生更多的振動，尤其在額定流量時，有誘導輪時壓力脈動幅值波動很明顯.

2) 在蝸殼流域內(nèi)，前置誘導輪明顯降低葉輪葉片掃略過隔板起始位置形成的射流尾跡對脈動波動的影響.在小流量工況下，前置誘導輪減少了隔舌位置的脈動周期數(shù)，提升了磁力泵在隔舌位置的流動性能.在大流量工況下，前置誘導輪減弱了蝸殼隔舌處的流動分離與旋轉(zhuǎn)失速狀況.