隔舌安放角對離心泵空化狀態下壓力脈動的影響*

舒乙宸,宋文武,馬曉堂,陳洪陽,杜 聰

(西華大學 能源與動力工程學院,四川 成都 610039)

0 引 言

作為一種靠葉輪旋轉時產生的離心力來輸送液體的通用機械,離心泵的應用非常廣泛。離心泵的基本構造是由葉輪、泵體等部分構成,其中,葉輪是離心泵的核心部分。離心泵的內部流動狀況是影響其運行特性的重要因素。

在通常情況下,離心泵大多采用螺旋型蝸殼結構,蝸殼與隔舌的不對稱性會造成葉輪出口流動的環形畸變,尤其是在非設計工況點時,其畸變將更為劇烈[1]。

目前,工業領域對高比轉速離心泵性能的要求越來越高,而空化是影響離心泵性能與運行穩定性的重要因素。因此,有必要研究離心泵不同隔舌安放角在空化狀態下的壓力脈動,并根據壓力脈動的對比分析,研究隔舌安放角對離心泵空化過程的影響。

王凱麗等人[2]研究了不同空化階段的離心泵非定常流動特性問題,研究發現,在同一空化階段,不同工況下離心泵隔舌和出口位置的壓力脈動變換規律相似,即從未空化到嚴重空化階段,離心泵壓力脈動幅值降低,且主頻均為葉頻。蔡建程等人[3]研究了在非設計工況下的離心泵性能和其隔舌區壓力脈動問題,研究發現,對于變轉速工況,離心泵隔舌區的壓力脈動強度隨轉速以二次函數的形式升高。羅旭等人[4]研究了不同空化程度下的高速離心泵,得到了高速離心泵葉輪內部的空化演變過程,以及流體誘發的離心泵壓力脈動的變化規律。楊敏官等人[5]研究了離心泵隔舌附近流場的壓力場,并且對離心泵葉輪流道內的空化發生部位和發展程度進行了預測。

在現有的有關于離心泵隔舌安放角壓力脈動的研究中,針對中低比轉速離心泵的研究較多[6-12],且其中的多數研究是針對其非空化的狀態[13]。目前,對空化狀態下高比轉速離心泵壓力脈動[14，15]的研究較少,并且缺乏空化階段隔舌安放角對隔舌處壓力脈動影響的研究。

筆者將采用CFD技術對不同空化狀態下的模型泵進行數值模擬,并對3種隔舌安放角的模型泵隔舌處的壓力脈動進行對比,研究不同隔舌安放角在空化狀態下對壓力脈動的影響,以期對離心泵的水力優化和可靠運行提供參考。

1 數值計算

1.1 計算模型

該研究對象為某一離心泵,其設計參數為:

流量Q=48 m3/h,揚程H=7.8 m,轉速n=1 450 r/min,葉片數Z=6。

筆者利用CFturbo建立了葉輪三維模型和不同隔舌安放角下的蝸殼三維模型,并在UG中分別對進口段和出口段進行了適當的延伸。

三維模型如圖1所示。

圖1 三維模型

為了監測離心泵上各個位置的壓力脈動,筆者在模型泵上設置了5個監測點,分別位于隔舌、出口、進口、蝸殼。

模型監測點設置如圖2所示。

圖2 監測點設置

1.2 網格劃分

筆者利用ANSYS-CFX前處理網格軟件ICEM對模型泵的水體進行了網格的劃分。為了保證網格的質量,筆者分別對葉輪葉片、蝸殼隔舌等扭曲度較大的地方進行了加密處理;對該模型泵的全流道網格進行了無關性驗證,選取了4組不同密度網格。

網格無關性驗證如表1所示。

考慮到時間成本和計算機資源,筆者最后確定此處的模擬計算采用方案2,計算域網格總數為4 114 820。

其中,葉輪水體為1 286 597,蝸殼水體為1 906 561,進口延長段為506 426,出口延長段為415 236。

表1 網格無關性驗證

離心泵模型網格圖如圖3所示。

圖3 離心泵模型網格圖(葉輪及蝸殼)

2 求解方法及邊界條件

2.1 計算模型

此處的計算模型選用RNG k-Epsilon湍流模型,湍動能方程如下:

(1)

式中:αk—經驗系數;ue—有效黏性系數;k—湍動能;Gk—湍動能生成項;ε—湍動能耗散率。

此處的空化模型采用基于空泡動力學中簡化的Rayleigh-Plesset模型:

(2)

式中:PV—氣相壓力,Pa;P—水蒸氣飽和壓力,Pa;rnuc—成核位置的氣相體積分數,rnuc=5.0×10-4;RB—成核位置的氣泡半徑,RB=2.0×10-6m;Fe,Fc—氣化和壓縮過程中的經驗參數,其中,Fe=5.0,Fc=0.01。

2.2 數值模擬設置與邊界條件

筆者運用ANSYS CFX17.0進行模擬計算,將進口設置為總壓進口,將出口設置為質量流量。

筆者對非結構四面體網格采用GGI適應模式,葉輪和蝸殼水體之間的動靜耦合交界面設置為Frozen Rotor交界面,并采用無滑移壁面網格。

其中,在定常計算中旋轉部件與靜止部件的交界面設置為“凍結轉子”狀態,液體體積分數設置為1,氣體體積分數設置為0,改變壓力進口從而達到不同的空化程度[16-18]。

筆者將定常的結果作為非定常的初始狀態開始計算,時間步長344.828 μs,數值計算10個周期,選取最后一個周期進行分析,求解精度為10-5。

3 數值模擬與結果分析

3.1 不同空化階段模型泵壓力脈動模擬結果

筆者用性能下降法作為判別泵是否發生空化的依據。此處,模型泵的未空化階段、空化階段、嚴重空化階段,即為泵揚程未下降、揚程下降3%與揚程下降70%時的狀態。

各監測點在不同空化程度下的壓力脈動頻域圖如圖4所示。

圖4 不同空化程度下的壓力脈動頻域圖

從圖4可以看出:

在非空化情況下,各監測點壓力脈動頻率分布比較一致,主頻位于0.2倍轉頻處;

在空化情況下,隔舌監測點的壓力脈動幅值明顯高于其他監測點,壓力脈動主頻位于葉頻144 Hz處,次頻位于兩倍葉頻處;

在嚴重空化的情況下,隔舌監測點的壓力脈動幅值較其他監測點來說也較大。這是因為蝸殼和葉輪間產生了較強的動靜干涉,壓力脈動強度加大。

就隔舌位置的監測點來說,從非空化階段到臨界空化階段,隔舌監測點的壓力脈動幅值有明顯下降。從臨界空化階段到嚴重空化階段,隔舌處壓力脈動的幅值倍增。

離心泵內空泡隨著裝置空化余量的降低而逐漸增多,空泡的聚集、膨脹及空穴的脫落造成了壓力的波動。隨著進口壓力的減小,空化越來越嚴重,導致流道內流動不穩定性加劇。

不同空化程度下,離心泵的壓力脈動時域圖如圖5所示。

圖5 不同空化程度下的壓力脈動時域圖

從圖5可以看出:

隨著進口壓力的減小,空化逐漸加劇,離心泵內壓力也隨之減小。進口處壓力最小并且壓力脈動幅值最小,隔舌附近監測點壓力脈動幅值最大;

在空化過程中,離心泵出口、隔舌等位置的壓力脈動幅值明顯高于進口位置。

以上結果說明,隨著空化程度的加劇,流動的不穩定性主要表現在離心泵的下游位置。

3.2 不同空化階段模型泵揚程與效率

不同有效空蝕余量下,離心泵的揚程曲線圖如圖6所示。

圖6 不同有效空蝕余量下的揚程曲線

從揚程曲線可以看出:

在未空化階段,隔舌安放角的變化對離心泵的揚程基本沒有影響;但是隨著空化的加劇,相同的有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,揚程越高;并且隔舌安放角越大,臨界空蝕余量越小。

不同有效空蝕余量下,離心泵的效率曲線圖如圖7所示。

圖7 不同有效空蝕余量下的效率曲線

從圖7可以看出:

未空化階段不同隔舌安放角的離心泵效率基本一致,但是開始發生空化之后,相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,離心泵效率越高,在嚴重空化時尤為明顯;

通過分析可知,相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,揚程和效率越高;隨著隔舌安放角的增大,離心泵在空化條件下的性能有所優化。

3.3 空化過程中不同隔舌安放角壓力脈動

未空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖8所示。

圖8 未空化階段隔舌監測點壓力脈動頻域圖

從圖8中相同的空化階段可以看出:

在非空化狀態下,安放角增大對離心泵隔舌處壓力脈動幅值影響不大;但是隨著安放角的增大,其高頻成分有所減少。

臨界空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖9所示。

從圖9可以看出:

空化狀態下,隔舌處壓力脈動的主頻和次頻分別在葉頻和兩倍葉頻處;隨著隔舌安放角增大,其壓力脈動的主頻頻率基本不變,次頻有較為明顯的減小,高頻成分也有所減少。

嚴重空化階段時,隔舌安放角為28°、29.8°、32°下隔舌的離心泵壓力脈動頻域圖如圖10所示。

從圖10可以看出:

圖9 臨界空化階段隔舌監測點壓力脈動頻域圖

圖10 嚴重空化階段隔舌監測點壓力脈動頻域圖

嚴重空化時,隨著安放角的增大,從28°～32°,隔舌處壓力脈動由無規律高頻振動逐漸平穩下來,振幅明顯減小。該結果說明,通過將隔舌安放角適當地增大,能有效地穩定隔舌處的壓力脈動;

從未空化階段到臨界空化階段,相同隔舌安放角的模型泵壓力脈動的高頻成分增多,低頻部分有小幅波動,有不穩定趨勢;

從臨界空化到嚴重空化階段,其振幅大幅度增大。

4 結束語

由于目前業界對空化狀態下高比轉速離心泵壓力脈動的研究較少,并且缺乏空化階段隔舌安放角對隔舌處壓力脈動影響的研究,筆者采用ANSYS CFX軟件對不同隔舌安放角(28°、29.8°、30°)的離心泵進行了數值模擬,研究了隔舌安放角對離心泵空化狀態下壓力脈動的影響,得到了其外特性和壓力脈動特征。

研究結論如下:

(1)空化過程中,離心泵出口、隔舌等位置的壓力脈動的幅值明顯高于進口位置,泵內流動的不穩定性主要表現在中、下游;其中,隔舌部分的壓力脈動較為敏感,壓力脈動幅值最大;

(2)在隔舌安放角28°～32°范圍內發生空化時,在相同有效空蝕余量下,隔舌安放角越大,離心泵的揚程和效率越高;隨著隔舌安放角的增大,離心泵在空化條件下的性能有所提高;

(3)隨著空化的加劇,離心泵隔舌處的壓力脈動幅值增大;但在嚴重空化狀態下,隔舌安放角越大,壓力脈動幅值越小,整體更穩定。因此,通過適當增大隔舌安放角能有效地穩定離心泵壓力脈動。

在后續的工作中,筆者還將研究更大范圍的隔舌安放角對壓力脈動的影響,以及不同比轉速離心泵空化狀態下的壓力脈動特性。