修銼葉片出口對離心泵非定常性能的影響

2021-04-29 07:54:36李福鑫王興林

中國農村水利水電 2021年4期

李福鑫，符杰，范飛，王興林

（1.西華大學能源與動力工程學院，成都610039；2.國能大渡河檢修安裝有限公司，四川樂山614900）

0 引言

離心泵是輸送流體介質的主要動力部件，廣泛應用于農業灌溉、城市供水、消防、化工等諸多領域。在離心泵的運行過程中，葉輪與隔舌之間動靜干涉作用產生的壓力脈動是造成離心泵不穩定運行的主要因素，嚴重影響離心泵的穩定與運行安全［1-4］。因此，提高離心泵的水力性能，減小其壓力脈動是目前研究的重要課題之一。Keller 等［5］通過PIV 技術捕捉了離心泵運行時內部流動特征以及葉片出口位置的尾跡流，對比分析了不同工況下葉片尾跡渦與壓力脈動強度的關系，揭示了非穩態流動結構內部特征。董亮等［6］結合數值模擬和模型試驗對比分析了離心泵不同葉片形狀對于泵作透平性能的影響，結果表明，葉片出口倒圓與修銼都可以提高模型的揚程與效率。DAN NI 等［7］采用數值模擬的方法，研究了核泵擴散導葉尾緣倒圓與壓力面切削對

其內部不穩定流動的影響，結果表明，壓力面切削能明顯減小擴散導葉葉片出口壓力，增大蝸殼壁右側壓力脈動，有效地防止流動分離，提高核泵的水力效率。白羽等［8］對一臺離心泵葉片出口吸力面進行修銼，并進行了現場實驗，研究修銼葉片出口對葉輪強度的影響，研究表明，葉片出口修銼后能增大葉片出口尾跡區的絕對速度，減小了摩擦和分離損失，使揚程和效率提高，葉輪強度增大。張金鳳等［9］對長短葉片出口的工作面和背面進行不同厚度的修銼，研究長短葉片得到出口修銼對離心泵性能與動靜干涉的影響，研究結果表明，對工作面的修銼能適當提高離心泵的效率，改善離心泵動靜干涉效應，對背面的修銼可適當提高離心泵揚程，但會加劇離心泵動靜干涉效應。ZHANG N 等［10］采用實驗和數值模擬的方法研究葉片出口壓力面的修銼對低比轉速離心泵非定常壓力脈動和流動結構的影響，研究結果表明，修銼模型能明顯減小離心泵壓力脈動，改善葉片出口區域的流場均勻性，減小葉片出口處相應的渦量值。還有一些學者對葉片出口形狀及角度進行了研究［11-15］。

綜上所述，葉片出口形狀對離心泵的性能及壓力脈動有直接影響，但目前關于葉片出口修銼對高比轉速離心泵非定常流動的研究較少。因此本文通過對葉片出口壓力面和吸力面分別進行兩種厚度的修銼，探究不同修銼方案對離心泵外特性、內部流場、壓力脈動以及徑向力的影響，為解決離心泵壓力脈動問題提供一定的水力設計參考依據。

1 計算模型和研究方法

1.1 模型建立

本文利用CFturbo 軟件對所研究的離心泵的葉輪、蝸殼進行水力設計及水體模型建立，為了確保數值模擬分析與離心泵實際運行條件一致，在UG 軟件中對泵的進出口段進行了適當的延伸，其參數如表1所示，建立的三維模型如圖1所示。

表1 離心泵設計參數Tab.1 Design parameters of centrifugal pump

圖1 離心泵三維模型Fig.1 3-D model of centrifugal pump

1.2 葉片出口修銼

在保證離心泵其他幾何參數不變的前提下，對葉片出口處的壓力面和吸力面分別進行了兩種厚度修銼，其修銼方法如圖2 所示，并在UG 軟件中建立對應的葉輪模型。其中原型記為ORD、修銼壓力面厚度的0.5 倍和0.8 倍分別記為PS1 和PS2，修銼吸力面厚度的0.5和0.8倍分別記為SS1和SS2。

圖2 葉片出口修銼示意圖Fig.2 Schematic diagram of blade outlet filing

1.3 計算域及網格劃分

本文利用ICEM 軟件對所有過流部件進行非結構性四面體網格劃分。如圖3所示，為了提高計算域的網格質量和數值模擬計算的精確度，分別對離心泵的葉片、葉輪出口、隔舌等曲率較大位置網格進行加密，網格質量均達到了0.3 以上。通過網格無關性驗證，如表2所示，當網格數大于241 萬個時，模擬結果的揚程和效率趨于穩定，故最終確定計算模型的進口、葉輪、蝸殼、出口的網格數分別為21.6、125、78、16.2 萬個，網格總數為241 萬個。

圖3 葉輪和蝸殼網格圖Fig.3 Grid diagram of impeller and volute

表2 網格無關性驗證Tab.2 Verification of grid independence

2 數值計算方法

2.1 邊界條件

在ANSYS-CFX軟件中采用標準k－ε湍流模型對離心泵各方案進行定常和非定常數值模擬。進口邊界條件設置為總壓進口，出口邊界條件設置為質量流出口。所有流體域的固體壁面均采用無滑移的壁面函數，控制方程中的對流離散項均采用二階高精度格式。定常計算時流體域中的動靜交界面設置為Frozen rotor，非定常計算時動靜交界面設置為Transient rotor，網格節點采用通用網格界面GGI 模式的匹配方式。將定常計算結果為基礎進行非定常計算，葉輪旋轉一個周期需要0.041 38 s，為了確保計算結果的精度，取葉輪每旋轉3°所用的時間為一個時間步長，即Δt=3.448×10-4s，葉輪軸頻為24.17 Hz，葉頻為120.85 Hz，殘差收斂設置為10-5，初始設置計算步數為2 000步，最終在1 000 步內達到收斂要求。

2.2 監測點設置

為了更加清楚的了解不同葉片出口修銼方案對離心泵內部壓力脈動特性影響，在蝸殼流道中布置了17 個監測點，如圖4所示。除隔舌監測點P17外，其余每個監測點之間的角度為22.5°。

圖4 監測點設置Fig.4 Locations of monitoring point

3 結果分析

3.1 外特性分析

圖5表示5 種方案的外特性性能曲線，從流量－效率曲線中可知，隨著流量的增大，離心泵的效率呈現先增大后減小的趨勢。對比原方案ORD，葉片壓力面修銼的兩種方案PS1 和PS2 均能在一定程度上提高離心泵水力效率，且在小流量工況下更為明顯。在設計工況下，PS1 和PS2 比原方案分別提高1.1%和1.5%。而對吸力面修銼的兩種方案SS1 和SS2 水力效率分別下降0.4%和1.2%。

圖5 外特性曲線Fig.5 External characteristic curve

從流量－揚程曲線中可知，隨著流量的增大，離心泵的揚程逐步下降。對比原方案ORD，吸力面修銼的兩種方案SS1 和SS2 均能提高離心泵的揚程，且在大流量工況下更為明顯。在設計工況下，SS1 和SS2 分別比原方案提高6.3%和7.1%。而對壓力面修銼的兩種方案PS1和PS2揚程分別下降0.9%和2%。

由此可知，對于壓力面的修銼，可以提高離心泵的效率但會降低其揚程，對于吸力面的修銼可以提高離心泵揚程但會降低其水力效率，且修銼厚度越大，效果越顯著。

3.2 壓力分布

圖6表示5 種方案在設計工況下葉輪和蝸殼中截面的壓力云圖。由圖6可知，不同修銼方案下，葉輪流道內的壓力分布特征基本相同，葉輪的主要作用是將流體的動能轉化成勢能，所以流體從葉輪進口到出口的靜壓逐漸增大。對比5種方案的壓力分布圖發現，SS1 和SS2 兩種方案蝸殼出口處和蝸殼壁面的高壓區范圍比原始方案ORD 大，而PS1 和PS2 兩種方案蝸殼出口處和蝸殼壁面的高壓區范圍比原始方案ORD 小。這是由于對葉片出口壓力面進行修銼會減小葉片出口角β2，使得葉片出口尾跡區的絕對速度減小且相對速度增大，最終導致揚程減小。而對葉片出口吸力面進行修銼則正好相反。且修銼厚度越大，效果越明顯。

圖6 葉輪和蝸殼壓力圖Fig.6 Pressure diagram of impeller and volute

3.3 速度分布

圖7表示5 種方案在設計工況下葉輪和蝸殼中截面的速度云圖。由圖可知，不同修銼方案的速度分布特征基本相同，低速區主要集中在靠近葉輪進口處的壓力面附近和蝸殼出口段，高速區則主要集中在葉輪出口附近。對比原方案ORD，SS1 和SS2 兩種方案葉輪出口附近的高速區速度分布相對均勻，且蝸殼出口段的低速區面積明顯減小，流體在葉輪及蝸殼流道中流動更加穩定，減少了摩擦和分離損失，使離心泵效率有所提高。而PS1和PS2兩種方案葉輪出口附近的高速區速度分布相對紊亂，且蝸殼出口段的低速區未得到改善，流體在葉輪及蝸殼流道中流動的穩定性降低。

圖7 葉輪和蝸殼速度圖Fig.7 Velocity diagram of impeller and volute

3.4 壓力脈動分析

3.4.1 壓力脈動時域分析

圖8表示5 種方案在蝸殼流道內監測點P2、P6、P10、P14、P17的壓力脈動時域圖。由圖可知，監測點的壓力值隨時間的改變呈明顯周期性變化，不同監測點的壓力值不同但變化趨勢相近，葉輪旋轉一個周期內均出現5 次明顯的波峰和波谷，這是因為葉輪的5個均勻分布的葉片對隔舌產生的動靜干擾造成的。由于蝸殼把流體的動能轉化成壓力能，蝸殼螺旋段內5 個監測點的壓力值隨著流體流動方向逐漸變大，并在隔舌處達到最大。對比原始方案ORD，4 種修銼方案均能使各監測點的壓力值增大，其中PS1 的影響較小，SS2 的影響最大。再把修銼方案的脈動區間與原始方案ORD 相比，PS2 和SS1 兩種方案的脈動區間最小，尤其在P2和P17兩個監測點最為明顯，而PS1和SS2兩種方案的脈動區間較原方案變化較小。由此可知，4 種修銼方案均可以增大離心泵蝸殼流道的壓力值，修銼方案PS2 和SS1 能在一定程度上減小壓力值的波動范圍。

3.4.2 壓力脈動頻域分析

將上述監測點的壓力值通過快速傅里葉變換得到壓力脈動的頻域特性，如圖9所示。不同監測點的壓力脈主頻均在葉頻處，葉頻倍頻及轉頻處也存在相應的峰值，靠近隔舌區域的監測點P2和隔舌監測點P17的壓力脈動幅值遠大于離隔舌區域的較遠的P6、P10、P14。對比原始方案ORD，壓力面修銼方案PS1、PS2能大幅降低離心泵壓力脈動強度，尤其在P2、P17兩個監測點處最為明顯。吸力面的兩個修銼方案SS1、SS2 也能P2、P14監測點降低壓力脈動強度，但對其余監測點的影響不明顯。

因此為了更好的研究蝸殼流道內的壓力脈動情況，引入壓力脈動系數Cp將瞬態進行無量綱化，尋找出蝸殼流道中P1～P16的主頻壓力脈動幅值沿圓周方向的規律。其計算公式如下：

式中：p為各監測點的靜壓，Pa；pave為各監測點一個周期內的平均靜壓，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；u為流體在葉輪出口的圓周速度，m/s。

圖10顯示了設計工況下，5種方案在蝸殼流道內16個監測點的壓力脈動主頻振幅（監測點的設置如圖4）。縱坐標是各監測點的主頻振幅，橫坐標是蝸殼圓周逆時針方向各監測點之間的角度（P1～P16角度依次遞增22.5°）。由圖可知，蝸殼流道內主頻壓力脈動幅值呈現5個波峰波谷，除原始方案ORD 外，4個修銼方案的主頻壓力脈動幅值的最大值發生在靠近隔舌區域的θ=0°，最小值發生在遠離隔舌區域的θ=247.5°。對比5 個方案，方案PS2 的壓力脈動幅值幾乎全小于原始方案ORD，其次是方案PS1，吸力面修銼方案和SS1和SS2在部分監測點處會加劇壓力脈動幅值，但就總體而言，對壓力脈動也有一定的抑制作用。因此可知，對離心泵葉片出口進行修銼能夠在一定程度上改善離心泵蝸殼的壓力脈動，減小壓力脈動的能量損耗，其中修銼方案PS2對壓力脈動的抑制效果最為明顯。

圖8 不同監測點的時域圖Fig.8 Time-domain diagram of different monitoring points

圖9 不同監測點的頻域圖Fig.9 Frequency domain diagram of different monitoring points

3.5 徑向力分析

圖11和圖12為5 種方案葉輪及隔舌的徑向力分布圖。從圖中可以看出每種方案的葉輪及隔舌的徑向力分布都是五角星形，與葉輪葉片數為5相符合，作用在隔舌位置的徑向力遠大于葉輪處的徑向力且分布更均勻。對比原始方案ORD，修銼方案PS2、SS1、SS2均能減小離心泵葉輪的徑向力同時增大隔舌的徑向力，其中方案SS2的葉輪徑向力最小，隔舌徑向力最大。而方案PS1 對葉輪及隔舌徑向力的影響都相對較小。由此可見，修銼葉片吸力面出口比壓力面出口對離心泵葉輪及隔舌的徑向力影響更大，其中修銼方案SS2 對葉輪及隔舌的徑向力影響最為明顯。