侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

第一作者张宁男，博士生，1987年12月生

通信作者杨敏官男，教授，博士生导师，1952年生

邮箱：mgyang@ujs.edu.cn

侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

张宁，杨敏官，高波，李忠，王兴宁

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013)

摘要：用数值计算方法研究具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵，分析小流量工况时模型泵的非稳态旋转失速特性，用快速傅里叶变换(FFT)获得压力脉动信号的频谱特征。结果表明，小流量工况时模型泵的扬程曲线呈驼峰状，压水室不同位置处压力分布不均；受叶轮旋转产生的非稳态作用影响，叶轮不同叶片流道内流动结构差异较大。不同流量下，叶轮内部分离涡结构诱发的激励频率各异，0.4ФN工况时模型泵压力脉动频谱图出现0.5fR及高次谐波频率，压力脉动最大幅值出现于4fR频率处；0.2ФN流量时非定常流动结构会诱发0.18fR及高次谐波频率；0.05ФN流量时压力脉动频谱图同时出现0.1fR、0.28fR两种激励频率。旋转失速现象出现时，频谱图中叶频处压力脉动幅值不再起主导作用。

关键词：离心泵；侧壁式压水室；旋转失速；数值计算；压力脉动；流场结构

收稿日期：2013-11-29修改稿收到日期：2014-03-27

中图分类号:Th111文献标志码：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

离心泵偏离最优工况点工作时叶轮内部易产生不稳定流动结构[1-3]，而旋转失速为其中一种重要的非稳态流动现象。失速团在不同流道间传播易诱发低频压力脉动信号，对整个系统安全稳定运行影响较大[4]。因此研究离心泵小流量旋转失速特性，探索离心泵内部流动结构特征十分必要。

Emmons等[5]最早对旋转失速进行研究，通过观测叶栅旋转失速现象，首次揭示了旋转失速产生、传播过程。Yoshida等[6]对具有导叶形式的离心泵进行可视化研究，获得旋转失速频率等特性。Lucius等[7]采用PIV技术对具有导叶结构的离心泵内部旋转失速进行测量，获得旋转失速工况泵内部流动结构及旋转失速特征频率，认为叶轮流道内部同时存在不止一个旋转失速区，这些非稳态流动结构可能会存在非线性相干现象，但未成功获得相干特征频率。Sano等[8]研究离心泵叶片式扩压器内部旋转失速对压力脉动及泵性能影响，并重点分析不同时刻导叶内部流场结构变化规律。

Sinha等[9]用试验方法研究具有导叶结构离心泵的旋转失速特性。潘中永等[10]研究斜流泵旋转失速，分析扬程不稳定驼峰区产生原因及失速工况叶轮、导叶内部流动结构。陈振等[11]建立轴流式压气机旋转失速及喘振的非线性反馈控制模型。郭强等[12]采用数值计算方法对离心压缩机进行全流道模拟，研究其失速流动现象。于巍巍等[13]建立压气机/风扇旋转失速稳定模型并与试验对比分析，获得较好效果。目前对旋转失速现象研究主要集中在具有导叶结构形式离心泵，而对非导叶压水室离心泵非稳态旋转失速特性研究较少，未获得其旋转失速特征频率及泵内流动结构特征。

本文对具有特殊压水室结构的离心泵进行研究，分析其旋转失速特性。从降低离心泵叶轮-隔舌动静干涉作用出发，提出一种扩散段呈倾斜的侧壁式压水室，以降低离心泵振动水平。采用数值计算方法研究侧壁式压水室离心泵小流量工况时非稳态旋转失速特性，分析不同工况下非稳态旋转失速对模型泵叶轮内部流场结构及压力脉动信号影响。

1数值计算方法

对比转速130的侧壁式压水室离心泵进行数值计算。模型泵的基本性能参数见表1。侧壁式压水室扩散段与轴线呈固定夹角，侧壁式压水室示意图见图1。

表1　模型泵性能参数

图1　侧壁式压水室 Fig.1 Diagram of the slope volute

1.1网格划分

网格质量对数值计算结果有重要影响。为准确捕捉侧壁式压水室离心泵小流量工况条件下叶轮内部出现的非稳态流动分离结构及旋转失速现象，采用ICEM结构化网格对模型泵进行网格划分。据侧壁式压水室模型泵流动特性，将流动分为4个区域，即侧壁式压水室、叶轮、进口段及出口段。采用标准壁面函数处理近壁面复杂流动，壁面函数对第一层网格高度有严格要求，第一层网格节点超出壁面函数作用范围时，将导致计算结果误差加大。在整个计算域固体壁面附近采用网格加密技术以保证第一层网格高度在壁面函数要求范围内。图2为叶轮及侧壁式压水室网格。图3为模型泵表面y+值分布。由图3看出，模型泵表面y+值处于10~200范围内，满足壁面函数计算要求。网格无关性检验显示总网格数为115万时，模型泵的扬程、效率几乎不变，各区域网格数为:叶轮6×105、蜗壳4.5×105、进口段5×104、出口段5×104。

图2　模型泵网格 Fig.2 Mesh of the model pump

图3　计算域表面y+分布 Fig.3 y +Distribution of the computational domain

1.2湍流模型及边界条件

采用标准k-ε湍流模型计算泵内流动[14]，壁面流动用标准壁面函数处理，进口边界用速度进口条件，出口边界用压力出口条件，压力设为1.0×105Pa。为保证非定常计算收敛，至少计算40个叶轮旋转周期。

2计算结果分析

2.1性能分析

在不同流量下对侧壁式压水室离心泵能量性能进行数值计算并与试验结果对比。ФN，Ψ，λ分别为设计流量、扬程系数、功率系数。对比结果见图4。由试验结果知，模型泵最优效率点在1.0ФN流量附近；小流量工况0~0.3ФN时，扬程曲线出现正斜率，曲线出现驼峰，表明此时模型泵叶轮内部出现旋转失速现象[15]。0~1.0ФN工况内，数值计算效率与试验结果吻合较好，最大误差小于3%，在设计流量处，计算误差为2.3%；大流量工况，随流量增加，数值计算误差不断加大。

图4　模型泵性能曲线 Fig.4 Performance characteristics of the model pump

2.2压力脉动特性

小流量工况时，侧壁式压水室离心泵扬程曲线出现旋转失速现象。为研究旋转失速对模型泵压力脉动特性及叶轮内部流动结构影响，采用非定常数值方法对模型泵进行计算。为保证计算精度、缩短计算周期，时间步长设为Δt=1.15×10-4s。模型泵叶轮旋转频率为fR=24.2 Hz,叶片通过隔舌的频率称为叶频fBPF=145Hz。为获得模型泵不同位置处压力脉动信号，设置9个监测点，见图5。

图5　压力脉动监测点 Fig.5 Monitoring points

小流量工况时，由于叶轮内部容易产生流动分离结构，模型泵压力脉动特征将发生显著变化。监测点P1处0.05ФN，1.0ФN工况下压力脉动时域信号对比结果见图6(a)，采用快速傅里叶变换(FFT)将时域信号变换为频域信号，见图6(b)。由图6看出，1.0ФN流量时叶轮内部流动均匀，模型泵压力脉动信号呈周期性变化，不同时刻压力信号波峰、波谷幅值几乎一致，压力信号呈平稳状态；0.05ФN流量时叶轮内部出现流动分离结构，在压力脉动时域信号谱图中波峰、波谷处出现其它峰值信号，压力信号呈非平稳变化。由频域信号知，1.0ФN工况下叶轮-隔舌的动静干涉作用占主导地位，压力脉动峰值信号出现在叶频及2次谐波处，且叶频处压力脉动幅值远大于其它频率处；0.05ФN流量时压力脉动频域特征与设计工况差异明显，除叶频处出现峰值信号外，在压力脉动信号低频段同时出现多个其它频率峰值信号，表明此时叶轮内部出现其它非稳态流动结构扰动。

图6　压力脉动时域和频域信号 Fig.6 Time domain and frequency domain signals

0.05ФN，1.0ФN工况下叶轮内部相对流速分布结果见图7。由图7看出，模型泵工作在1.0ФN工况时，叶轮叶片间各流道内相对流速分布均匀，无明显流动分离结构出现，叶片背面相对流速比叶片工作面大；模型泵工作在旋转失速流量点0.05ФN工况时，叶轮流道内出现多个流动分离结构。受叶轮旋转产生的非稳态作用影响，不同流道内流动分离结构差异明显，流道1、2、6内部同时存在两个流动分离涡结构，分别位于叶轮进、出口附近，叶轮出口几乎被旋涡区占据，此时流道严重堵塞。流道3、4内部同时存在3个分离旋涡区；而流道5内部叶轮出口处形成两个旋向相同的旋涡结构，叶轮内同时存在4个分离旋涡区。

(a)　1.0Φ N　　　　　　(b)　0.05Φ N 图7　相对流速分布 Fig.7 Relative velocity in the impeller

2.3旋转失速区流动特性

由模型泵的扬程性能曲线可知，0~0.4ФN流量内模型泵扬程曲线存在正斜率，出现驼峰现象。不同流量下P1点压力脉动信号变化规律见图8。由图8看出，小流量工况时压力脉动时域信号中相邻波峰、波谷幅值差异较大，尤其在0.05ФN工况时，压力波动幅值远大于其它两工况。

图8　不同流量压力脉动信号 Fig.8 Pressure pulsation at different flow rate

为研究模型泵压水室不同位置压力信号变化规律，对不同流量下压力脉动信号进行均方根(RMS)处理，起始点P0处角度为0，角度沿顺时针方向逐渐增加，结果见图9。由图9看出，3种不同流量下压力信号均方根大小变化规律一致，压力沿压水室圆周方向呈不均匀分布，不同测点处压力信号幅值各异。靠近隔舌的P0点压力信号均方根值较小，P1点处压力均方根值达最小值后随角度增加，压力信号均方根值不断增加，在P7点达最大值。0.05ФN工况时从P0~P7点压力脉动均方根值上升3.3%，0.2ФN工况时上升3.7%，0.4ФN工况时上升4.1%。

为研究叶轮内流动分离结构诱发的激励频率，将不同工况的压力脉动信号进行快速傅里叶变换为频域信号，P0点处压力脉动频域特征见图10。侧壁式压水室模型泵工作在0.4ФN时，受叶轮-隔舌动静干涉作用影响，压力脉动频谱图中在叶频及2次谐波处出现峰值信号。此时叶频处压力信号幅值不再起主导作用，压力脉动最大幅值出现在4fR频率处。在频谱图中同时出现其它压力脉动幅值峰值信号，频率分别为0.5fR、1fR、2fR、8fR、10fR。从相对速度流线分布图中可知：模型泵叶轮内部已出现流动分离状态，T时刻流道1、2、4、5、6内部流动结构基本一致，在叶轮流道1/2长度附近出现流动分离涡，流道3内部在叶轮出口处同时形成一个回流旋涡区。T+14Δt时刻，流道3出口的旋涡区尺度减小，不同时刻流道1/2长度附近的流动分离结构基本不变。由此可得：受叶轮旋转作用影响，不同时刻叶轮出口的旋涡结构不断发生变化，并在不同流道间传播，形成旋转失速现象，非稳态流场诱发0.5fR及高次谐波激励频率。

图9　压力脉动信号均方根值 Fig.9 RMS of pressure pulsation

图10　0.4Ф N压力脉动频谱图及叶轮流场结构 Fig.10 Pressure spectra and flow structure at 0.4Ф N

随流量减小，模型泵工作在0.2ФN工况时压力脉动频谱特征见图11。由图11看出，在4.12fR频率处压力脉动幅值达最大值，频谱图中出现0.18fR激励频率及高次谐波信号，低频段出现0.35fR、0.55fR频率信号，高频段出现7.9fR、10.1fR频率信号。从叶轮内部相对流速分布图知，T时刻叶轮流道1、2、3、4内部同时出现两个不同位置的分离涡结构，分别位于叶片进、出口边附近，而流道5、6内部只在叶片进口附近出现单流动分离结构；T+14△t时刻，随叶轮旋转流道6内部叶片出口处开始形成旋涡区。

图11　0.2Ф N压力脉动频谱图和叶轮流场结构 Fig.11 Pressure spectra and flow structure at 0.2Ф N

模型泵工作在0.05ФN工况时，压力信号频谱特性及叶轮内部相对流速分布见图12。由图12看出，T时刻叶轮流道内出现多种流动分离涡结构，流道1、2、3、6内部同时出现2种不同尺度的旋涡区，位于叶轮进、出口附近，流道4、5内部出现3种分离涡结构；T+14Δt时刻，流道5内部流动结构出现转变，叶轮出口处单旋涡流动结构发展为两个不同尺度旋涡。受叶轮流道内部非稳态流场结构影响，频谱图低频段出现两种不同的激励频率，分别为0.1fR、0.28fR，其幅值远大于叶频处压力幅值。

图12　0.05Ф N压力脉动频谱图和叶轮流场结构 Fig.12 Pressure spectra and flow structure at 0.05Ф N

3结论

采用数值计算方法对侧壁式压水室离心泵内部流场进行研究，获得小流量工况时泵的非稳态压力脉动和叶轮内部流场结构特性，结论如下：

(1)在小流量工况及设计点，数值结果与试验值吻合较好，大流量工况时数值结果产生较大偏差。

(2)小流量工况时，叶轮不同流道内部产生流动分离结构，不同时刻各个流道内流动结构差异显著，叶轮出口处旋涡结构不断变化，导致旋转失速现象产生。

(3)不同工况时，非定常流动分离结构诱发的激励频率各异，0.4ФN流量下，非定常流动结构会诱导0.5fR及高次谐波频率；0.2ФN工况时为0.18fR及高次谐波频率；0.05ФN流量时出现两种激励频率0.1fR，0.28fR。

(4)模型泵产生旋转失速时，压力脉动频谱低频信号处出现其它峰值信号，叶频处压力信号幅值不再起主导作用。

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