側壁式壓水室離心泵小流量非穩態旋轉失速特性

第一作者張寧男，博士生，1987年12月生

通信作者楊敏官男，教授，博士生導師，1952年生

郵箱：mgyang@ujs.edu.cn

側壁式壓水室離心泵小流量非穩態旋轉失速特性

張寧，楊敏官，高波，李忠，王興寧

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212013)

摘要：用數值計算方法研究具有特殊結構的側壁式壓水室離心泵，分析小流量工況時模型泵的非穩態旋轉失速特性，用快速傅里葉變換(FFT)獲得壓力脈動信號的頻譜特征。結果表明，小流量工況時模型泵的揚程曲線呈駝峰狀，壓水室不同位置處壓力分布不均；受葉輪旋轉產生的非穩態作用影響，葉輪不同葉片流道內流動結構差異較大。不同流量下，葉輪內部分離渦結構誘發的激勵頻率各異，0.4ФN工況時模型泵壓力脈動頻譜圖出現0.5fR及高次諧波頻率，壓力脈動最大幅值出現于4fR頻率處；0.2ФN流量時非定常流動結構會誘發0.18fR及高次諧波頻率；0.05ФN流量時壓力脈動頻譜圖同時出現0.1fR、0.28fR兩種激勵頻率。旋轉失速現象出現時，頻譜圖中葉頻處壓力脈動幅值不再起主導作用。

關鍵詞：離心泵；側壁式壓水室；旋轉失速；數值計算；壓力脈動；流場結構

收稿日期：2013-11-29修改稿收到日期：2014-03-27

中圖分類號:Th111文獻標志碼：A

Unsteady rotating stall characteristics in a centrifugal pump with slope volute at low flow rates

ZHANGNing,YANGMin-guan,GAOBo,LIZhong,WANGXing-ning(School of Energy and Power Engineering Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract:Numerical simulation method was used to analyze unsteady rotating stall characteristics in a centrifugal pump with slope volute at low flow rates. Fast Fourier transformation (FFT) was applied to transform time domain pressure signals into frequency domain ones. Results showed that a hump phenomenon occurs in the lift distance curve of the model pump, and the pressure distribution at different positions in slope volute is not uniform; flow structures in different impeller blade channels differ, they are influenced by unsteady action generated by rotating impeller; at different operating conditions, pressure pulsation signals are different, they cause variable excitation frequencies existing in pressure spectram; working at 0.4ФN condition, 0.5fR and its higher harmonics appear in pressure spectra, and pressure pulsation magnitude reaches the maximum value at frequency 4fR; at flow rate 0.2ФN, excitation frequencies 0.18fR and its harmonics occur; at 0.05ФN, two different excitation frequencies 0.1fR and 0.28fR appear in pressure spectra induced by unsteady flow structures in impeller blade channels; the pressure pulsation amplitude at blade frequency does not play the predominant role in pressure spectra under rotating stall status.

Key words:centrifugal pump; slope volute; rotating stall; numerical simulation; pressure pulsation; flow structure

離心泵偏離最優工況點工作時葉輪內部易產生不穩定流動結構[1-3]，而旋轉失速為其中一種重要的非穩態流動現象。失速團在不同流道間傳播易誘發低頻壓力脈動信號，對整個系統安全穩定運行影響較大[4]。因此研究離心泵小流量旋轉失速特性，探索離心泵內部流動結構特征十分必要。

Emmons等[5]最早對旋轉失速進行研究，通過觀測葉柵旋轉失速現象，首次揭示了旋轉失速產生、傳播過程。Yoshida等[6]對具有導葉形式的離心泵進行可視化研究，獲得旋轉失速頻率等特性。Lucius等[7]采用PIV技術對具有導葉結構的離心泵內部旋轉失速進行測量，獲得旋轉失速工況泵內部流動結構及旋轉失速特征頻率，認為葉輪流道內部同時存在不止一個旋轉失速區，這些非穩態流動結構可能會存在非線性相干現象，但未成功獲得相干特征頻率。Sano等[8]研究離心泵葉片式擴壓器內部旋轉失速對壓力脈動及泵性能影響，并重點分析不同時刻導葉內部流場結構變化規律。

Sinha等[9]用試驗方法研究具有導葉結構離心泵的旋轉失速特性。潘中永等[10]研究斜流泵旋轉失速，分析揚程不穩定駝峰區產生原因及失速工況葉輪、導葉內部流動結構。陳振等[11]建立軸流式壓氣機旋轉失速及喘振的非線性反饋控制模型。郭強等[12]采用數值計算方法對離心壓縮機進行全流道模擬，研究其失速流動現象。于巍巍等[13]建立壓氣機/風扇旋轉失速穩定模型并與試驗對比分析，獲得較好效果。目前對旋轉失速現象研究主要集中在具有導葉結構形式離心泵，而對非導葉壓水室離心泵非穩態旋轉失速特性研究較少，未獲得其旋轉失速特征頻率及泵內流動結構特征。

本文對具有特殊壓水室結構的離心泵進行研究，分析其旋轉失速特性。從降低離心泵葉輪-隔舌動靜干涉作用出發，提出一種擴散段呈傾斜的側壁式壓水室，以降低離心泵振動水平。采用數值計算方法研究側壁式壓水室離心泵小流量工況時非穩態旋轉失速特性，分析不同工況下非穩態旋轉失速對模型泵葉輪內部流場結構及壓力脈動信號影響。

1數值計算方法

對比轉速130的側壁式壓水室離心泵進行數值計算。模型泵的基本性能參數見表1。側壁式壓水室擴散段與軸線呈固定夾角，側壁式壓水室示意圖見圖1。

表1　模型泵性能參數

圖1　側壁式壓水室 Fig.1 Diagram of the slope volute

1.1網格劃分

網格質量對數值計算結果有重要影響。為準確捕捉側壁式壓水室離心泵小流量工況條件下葉輪內部出現的非穩態流動分離結構及旋轉失速現象，采用ICEM結構化網格對模型泵進行網格劃分。據側壁式壓水室模型泵流動特性，將流動分為4個區域，即側壁式壓水室、葉輪、進口段及出口段。采用標準壁面函數處理近壁面復雜流動，壁面函數對第一層網格高度有嚴格要求，第一層網格節點超出壁面函數作用范圍時，將導致計算結果誤差加大。在整個計算域固體壁面附近采用網格加密技術以保證第一層網格高度在壁面函數要求范圍內。圖2為葉輪及側壁式壓水室網格。圖3為模型泵表面y+值分布。由圖3看出，模型泵表面y+值處于10~200范圍內，滿足壁面函數計算要求。網格無關性檢驗顯示總網格數為115萬時，模型泵的揚程、效率幾乎不變，各區域網格數為:葉輪6×105、蝸殼4.5×105、進口段5×104、出口段5×104。

圖2　模型泵網格 Fig.2 Mesh of the model pump

圖3　計算域表面y+分布 Fig.3 y +Distribution of the computational domain

1.2湍流模型及邊界條件

采用標準k-ε湍流模型計算泵內流動[14]，壁面流動用標準壁面函數處理，進口邊界用速度進口條件，出口邊界用壓力出口條件，壓力設為1.0×105Pa。為保證非定常計算收斂，至少計算40個葉輪旋轉周期。

2計算結果分析

2.1性能分析

在不同流量下對側壁式壓水室離心泵能量性能進行數值計算并與試驗結果對比。ФN，Ψ，λ分別為設計流量、揚程系數、功率系數。對比結果見圖4。由試驗結果知，模型泵最優效率點在1.0ФN流量附近；小流量工況0~0.3ФN時，揚程曲線出現正斜率，曲線出現駝峰，表明此時模型泵葉輪內部出現旋轉失速現象[15]。0~1.0ФN工況內，數值計算效率與試驗結果吻合較好，最大誤差小于3%，在設計流量處，計算誤差為2.3%；大流量工況，隨流量增加，數值計算誤差不斷加大。

圖4　模型泵性能曲線 Fig.4 Performance characteristics of the model pump

2.2壓力脈動特性

小流量工況時，側壁式壓水室離心泵揚程曲線出現旋轉失速現象。為研究旋轉失速對模型泵壓力脈動特性及葉輪內部流動結構影響，采用非定常數值方法對模型泵進行計算。為保證計算精度、縮短計算周期，時間步長設為Δt=1.15×10-4s。模型泵葉輪旋轉頻率為fR=24.2 Hz,葉片通過隔舌的頻率稱為葉頻fBPF=145Hz。為獲得模型泵不同位置處壓力脈動信號，設置9個監測點，見圖5。

圖5　壓力脈動監測點 Fig.5 Monitoring points

小流量工況時，由于葉輪內部容易產生流動分離結構，模型泵壓力脈動特征將發生顯著變化。監測點P1處0.05ФN，1.0ФN工況下壓力脈動時域信號對比結果見圖6(a)，采用快速傅里葉變換(FFT)將時域信號變換為頻域信號，見圖6(b)。由圖6看出，1.0ФN流量時葉輪內部流動均勻，模型泵壓力脈動信號呈周期性變化，不同時刻壓力信號波峰、波谷幅值幾乎一致，壓力信號呈平穩狀態；0.05ФN流量時葉輪內部出現流動分離結構，在壓力脈動時域信號譜圖中波峰、波谷處出現其它峰值信號，壓力信號呈非平穩變化。由頻域信號知，1.0ФN工況下葉輪-隔舌的動靜干涉作用占主導地位，壓力脈動峰值信號出現在葉頻及2次諧波處，且葉頻處壓力脈動幅值遠大于其它頻率處；0.05ФN流量時壓力脈動頻域特征與設計工況差異明顯，除葉頻處出現峰值信號外，在壓力脈動信號低頻段同時出現多個其它頻率峰值信號，表明此時葉輪內部出現其它非穩態流動結構擾動。

圖6　壓力脈動時域和頻域信號 Fig.6 Time domain and frequency domain signals

0.05ФN，1.0ФN工況下葉輪內部相對流速分布結果見圖7。由圖7看出，模型泵工作在1.0ФN工況時，葉輪葉片間各流道內相對流速分布均勻，無明顯流動分離結構出現，葉片背面相對流速比葉片工作面大；模型泵工作在旋轉失速流量點0.05ФN工況時，葉輪流道內出現多個流動分離結構。受葉輪旋轉產生的非穩態作用影響，不同流道內流動分離結構差異明顯，流道1、2、6內部同時存在兩個流動分離渦結構，分別位于葉輪進、出口附近，葉輪出口幾乎被旋渦區占據，此時流道嚴重堵塞。流道3、4內部同時存在3個分離旋渦區；而流道5內部葉輪出口處形成兩個旋向相同的旋渦結構，葉輪內同時存在4個分離旋渦區。

(a)　1.0Φ N　　　　　　(b)　0.05Φ N 圖7　相對流速分布 Fig.7 Relative velocity in the impeller

2.3旋轉失速區流動特性

由模型泵的揚程性能曲線可知，0~0.4ФN流量內模型泵揚程曲線存在正斜率，出現駝峰現象。不同流量下P1點壓力脈動信號變化規律見圖8。由圖8看出，小流量工況時壓力脈動時域信號中相鄰波峰、波谷幅值差異較大，尤其在0.05ФN工況時，壓力波動幅值遠大于其它兩工況。

圖8　不同流量壓力脈動信號 Fig.8 Pressure pulsation at different flow rate

為研究模型泵壓水室不同位置壓力信號變化規律，對不同流量下壓力脈動信號進行均方根(RMS)處理，起始點P0處角度為0，角度沿順時針方向逐漸增加，結果見圖9。由圖9看出，3種不同流量下壓力信號均方根大小變化規律一致，壓力沿壓水室圓周方向呈不均勻分布，不同測點處壓力信號幅值各異。靠近隔舌的P0點壓力信號均方根值較小，P1點處壓力均方根值達最小值后隨角度增加，壓力信號均方根值不斷增加，在P7點達最大值。0.05ФN工況時從P0~P7點壓力脈動均方根值上升3.3%，0.2ФN工況時上升3.7%，0.4ФN工況時上升4.1%。

為研究葉輪內流動分離結構誘發的激勵頻率，將不同工況的壓力脈動信號進行快速傅里葉變換為頻域信號，P0點處壓力脈動頻域特征見圖10。側壁式壓水室模型泵工作在0.4ФN時，受葉輪-隔舌動靜干涉作用影響，壓力脈動頻譜圖中在葉頻及2次諧波處出現峰值信號。此時葉頻處壓力信號幅值不再起主導作用，壓力脈動最大幅值出現在4fR頻率處。在頻譜圖中同時出現其它壓力脈動幅值峰值信號，頻率分別為0.5fR、1fR、2fR、8fR、10fR。從相對速度流線分布圖中可知：模型泵葉輪內部已出現流動分離狀態，T時刻流道1、2、4、5、6內部流動結構基本一致，在葉輪流道1/2長度附近出現流動分離渦，流道3內部在葉輪出口處同時形成一個回流旋渦區。T+14Δt時刻，流道3出口的旋渦區尺度減小，不同時刻流道1/2長度附近的流動分離結構基本不變。由此可得：受葉輪旋轉作用影響，不同時刻葉輪出口的旋渦結構不斷發生變化，并在不同流道間傳播，形成旋轉失速現象，非穩態流場誘發0.5fR及高次諧波激勵頻率。

圖9　壓力脈動信號均方根值 Fig.9 RMS of pressure pulsation

圖10　0.4Ф N壓力脈動頻譜圖及葉輪流場結構 Fig.10 Pressure spectra and flow structure at 0.4Ф N

隨流量減小，模型泵工作在0.2ФN工況時壓力脈動頻譜特征見圖11。由圖11看出，在4.12fR頻率處壓力脈動幅值達最大值，頻譜圖中出現0.18fR激勵頻率及高次諧波信號，低頻段出現0.35fR、0.55fR頻率信號，高頻段出現7.9fR、10.1fR頻率信號。從葉輪內部相對流速分布圖知，T時刻葉輪流道1、2、3、4內部同時出現兩個不同位置的分離渦結構，分別位于葉片進、出口邊附近，而流道5、6內部只在葉片進口附近出現單流動分離結構；T+14△t時刻，隨葉輪旋轉流道6內部葉片出口處開始形成旋渦區。

圖11　0.2Ф N壓力脈動頻譜圖和葉輪流場結構 Fig.11 Pressure spectra and flow structure at 0.2Ф N

模型泵工作在0.05ФN工況時，壓力信號頻譜特性及葉輪內部相對流速分布見圖12。由圖12看出，T時刻葉輪流道內出現多種流動分離渦結構，流道1、2、3、6內部同時出現2種不同尺度的旋渦區，位于葉輪進、出口附近，流道4、5內部出現3種分離渦結構；T+14Δt時刻，流道5內部流動結構出現轉變，葉輪出口處單旋渦流動結構發展為兩個不同尺度旋渦。受葉輪流道內部非穩態流場結構影響，頻譜圖低頻段出現兩種不同的激勵頻率，分別為0.1fR、0.28fR，其幅值遠大于葉頻處壓力幅值。

圖12　0.05Ф N壓力脈動頻譜圖和葉輪流場結構 Fig.12 Pressure spectra and flow structure at 0.05Ф N

3結論

采用數值計算方法對側壁式壓水室離心泵內部流場進行研究，獲得小流量工況時泵的非穩態壓力脈動和葉輪內部流場結構特性，結論如下：

(1)在小流量工況及設計點，數值結果與試驗值吻合較好，大流量工況時數值結果產生較大偏差。

(2)小流量工況時，葉輪不同流道內部產生流動分離結構，不同時刻各個流道內流動結構差異顯著，葉輪出口處旋渦結構不斷變化，導致旋轉失速現象產生。

(3)不同工況時，非定常流動分離結構誘發的激勵頻率各異，0.4ФN流量下，非定常流動結構會誘導0.5fR及高次諧波頻率；0.2ФN工況時為0.18fR及高次諧波頻率；0.05ФN流量時出現兩種激勵頻率0.1fR，0.28fR。

(4)模型泵產生旋轉失速時，壓力脈動頻譜低頻信號處出現其它峰值信號，葉頻處壓力信號幅值不再起主導作用。

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