叶片包角对中比转速离心泵水力振动的影响研究

2020-07-16杨泽江宋文武

水力发电 2020年4期

杨泽江，宋文武，万伦

(1.四川水利职业技术学院，四川成都 611231；2.流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都 610039；3.西华大学能源与动力工程学院，四川成都 610039；4.宜宾市长宁县水利局，四川长宁 644300)

离心泵被广泛应用于水利、能源和石化等行业，其特点是可靠性高、寿命长。离心泵叶轮是决定整个离心泵内部流场及性能的关键过流部件，叶片关键参数如叶片包角等对叶片线型及流体在叶片表面的动力载荷分布有着重要的影响[1- 8]。Shojaeefard等[9]研究了叶片出口角和叶轮出口宽度对低比转速离心泵水力性能的影响，研究表明增加叶轮出口宽度能减少水力损失，存在一个最佳的叶片出口角使离心泵的扬程最高；Kang等[10]研究了在小流量时分流叶片对低比转速离心泵水力性能的影响，研究表明分流叶片能够使叶轮的速度分布更加均匀，与长叶片相比，短叶片在消除小流量时水头曲线中的驼峰现象更具潜力；Gao等[11]研究了叶片后缘轮廓对低比转速离心泵性能及非稳态压力脉动的影响，通过比较分析得到叶片压力侧为椭圆型及两侧都为椭圆型可以明显地提高离心泵的效率、减小离心泵的压力脉动和改变叶片后缘的涡流强度；Alemi等[12]采用数值模拟的方法分析了不同的蜗壳形状对离心泵径向力的影响，发现当同心蜗壳为270°时整个流量范围内离心泵的径向力最小；万伦等[13]研究了5种不同的叶片包角对高比转速离心泵水力性能的影响，研究表明随着叶片包角的增大，离心泵的效率呈先增加后减小的趋势，存在一个最佳的叶片包角110°使离心泵的水力性能最优；张忆宁等[14]对比分析了4种不同的叶片出口角下离心泵叶轮、导叶、蜗壳的压力脉动特性，得到随着叶片出口安放角的增大，导叶和蜗壳内压力脉动的逐渐增强。综上所述，目前国内外针对离心泵水力性能、压力脉动及径向力的研究已有大量的试验分析和数值模拟结果，随着比转速的提高，离心泵的流道由狭小变得宽广，叶片几何参数或形状对流体的夹持作用减弱，那么离心泵全流场的水力性能、压力脉动特性将会发生如何改变。

基于此，本文将在中比转速离心泵参数的选择范围内，通过改变叶片包角建立3种不同的叶轮模型，利用CFX在0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd5种流量工况下进行离心泵定常和非定常的数值模拟计算分析，最后对数据进行整理分析探讨不同的叶片包角下离心泵水力性能、压力脉动的分布特性，为中比转速离心泵的高效稳定运行提供重要的理论价值和工程意义。

1 几何参数及网格划分

1.1 几何参数

设计流量Qd=130 m3/h，转速n=1 450 r/min，设计扬程H=21 m，比转速ns=103。叶轮进口直径Dj=140 mm，叶轮外径D1=262 mm，叶轮出口宽度b2=27 mm，叶片数Z=6，蜗壳基圆直径D2=276 mm，蜗壳出口直径D3=88 mm。本文利用CFturbo建立蜗壳和叶轮的几何模型，同时为了使数值模拟的结果更加具有真实性，在UG中分别对叶轮进口和蜗壳出口进行适当的延伸，图1表示叶片包角为122°的离心泵在该设计参数下的三维计算域示意。

图1 离心泵三维模型示意

1.2 网格划分

在CFD数值模拟计算过程中，需要对网格进行合理设计，因为其决定着计算结果能否真实反映流体在流场流动的情况，同时网格质量会决定数值计算收敛精度和收敛性。为了保证计算的精度以及提高计算的稳定性，本文采用适应性较好的非结构性网格对离心泵计算模型进行划分。在叶轮和蜗壳进出口、叶轮叶片表面、蜗壳隔舌位置进行了网格的加密，尽量减小数值模拟计算时因网格划分带来的计算误差。

本次研究以叶片包角122°、出口安放角27°的离心泵模型为例，选取了4种不同的流体域网格数，经过网格无关性检验，最终确定进口段的网格数目为308 491、叶轮的网格数目是800 721、蜗壳网格数为826 256、出口段网格数325 882。整个离心泵的三维计算域网格如图2所示。

图2 全流道三维网格模型

2 计算方法及边界条件

本文采用标准RNGk-ε湍流模型，进口边界条件设置为总压进口(101 325 Pa)，出口边界条件设置为质量流量。将叶轮设置为旋转区域，其转速设置为-1 450 r/min；网格节点采用GGI模式的适应方式，对不同工况进行数值模拟计算分析，收敛精度设置为10-6。首先对5种计算模型分别在5种不同流量工况下进行定常计算，然后以定常计算的结果为基础进行非定常的计算，非定常设置如下：叶轮每旋转3°为一个时间步长，Δt=3.448 3×10-4s，每一个时间步长迭代10次，每一个步长残差标准最大值不超过10-6，总共计算叶轮旋转6个周期，即总时间t=0.248 76 s，计算结果从第3个周期开始呈现明显的周期性和稳定性，选取计算数据的最后两个周期用作数据分析。

3 结果分析

3.1 外特性分析

离心泵的外特性曲线描述的是离心泵的扬程、效率随流量的变化而呈现的变化规律。为了研究叶片包角对中比转速离心泵外特性的影响，对不同流量工况下的数值模拟结果进行分析，得到该离心泵的流量—扬程、流量—效率曲线。其中离心泵的扬程和效率计算公式如下[15]

(1)

(2)

式中，Pin为泵进口总压，Pa；Pout为泵出口总压，Pa；ΔZ为泵进出口高度差，m；M为旋转产生的扭矩，N·m；ω为叶轮旋转产生的角速度，rad·s-1。

图3 不同叶片包角对离心泵外特性的影响

图3为改变离心泵的叶片包角时离心泵的外特性曲线分布，可以明显看出，叶片包角在不同的流量工况时其影响不同，在小流量工况时，增加叶片包角其效率呈先降低再升高的趋势；在设计工况下，存在一个最佳的叶片包角即122°使离心泵的效率最佳且最佳效率点向大流量点偏移；在大流量工况下，过大的叶片包角使离心泵的效率下降得越快，这是由于叶片包角越大其叶轮叶片越长，摩擦损失也会相应增加。从扬程曲线中可以看出，小流量工况下，包角越大，离心泵的扬程越高，随着流量的增加，离心泵的扬程随着叶片包角的增大呈先增加后减小曲线趋势，在大流量工况下，叶片包角对离心泵的扬程影响更大，随着叶片包角的增大，扬程减小曲线越陡。

3.2 压力脉动分析

离心泵的压力脉动是指由于离心泵内部叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用以及泵内二次回流等因素使得离心泵内压力随时间演进产生周期性的变化。为了更好地描述以及观测流场内部的压力脉动变化情况，本文设置了几个监测点，其位置分布见图4。

图4 监测点位置分布

图5为在0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd3种流量工况下改变叶片包角时叶轮流道监测点的压力脉动频域分布。将监测点一个周期内的静压值通过快速傅里叶变换(FFT)，得到各监测点的压力脉动频域特性。由于本文中叶轮的转速n=1 450 r/min，故其转频N=24.17 Hz，叶片数Z=6，则叶频f=290 Hz。各监测点的压力脉动最大幅值以转频为主，每一种叶轮模型从叶轮进口的监测点Y1沿流体流出的方向到叶轮出口监测点Y5，其压力脉动幅值呈逐渐上升的趋势。在设计流量工况下，各监测点在转频N=24.27 Hz时达到最大值，压力脉动幅值在达到最大幅值后随频率的增加呈先增加再减小的趋势，在f=169 Hz时出现次幅值，随着叶片包角的增大，叶轮流道内各监测点的最大幅值逐渐增大，说明较小的叶片包角可以减小叶轮流道中间的压力脉动。

图6为在设计流量工况下改变叶片包角时蜗壳流道内监测点的压力脉动频域分布。从图6可以得到，各监测点幅值较为突出的频率区间主要集中在0～600 Hz，不同流量工况下各监测点的压力脉动幅值最大处几乎都发生在1倍叶频(145 Hz)处。设计流量时，各监测点的幅值最大位置发生在1倍叶频处，隔舌监测点T的压力脉动幅值最大，离叶轮出口位置最远的监测点V4其压力脉动幅值最小，隔舌监测点T和出口监测点B的压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大，其余监测点V1、V2、V3、V4的压力脉动幅值随叶片包角φ的增加而逐渐减小，φ从124°到128°的变化较小。