叶片包角对中比转速泵流场及水力振动的影响分析

马逢伯

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司，黑龙江 大庆 163711)

1 中比转速离心水泵技术参数以及数字模型的建立

1.1 技术参数

某中比转速离心水泵额定流量Qd=130 m3/h，工作转速n=1 450 r/min，额定扬程H=21 m。本文利用CFturbo生成了该水泵主要零件的三维模型【1】。为了获得更准确的分析结果，采用UG软件对模型进行了优化，将叶轮进口和蜗壳出口按实际情况进行了延伸。图1为叶片包角φ=122°时的离心泵主要零件模型【2】。

图1 离心泵三维模型示意

1.2 网格划分

计算流体动力学CFD中要想得到正确的计算结果，需要对模型进行合理的网格划分，来模拟流体真实流动的情况。网格划分质量也决定着计算的精度与收敛性。为了兼顾计算精度与稳定性，本文在对模型进行网格划分时采用了非结构性网格，并在影响分析结果程度较大的位置(例如进、出口以及叶轮表面和隔舌等位置)进行了网格加密，这样不仅提高了计算的精度，也有效控制了网格划分的总数【3】。

建立离心泵模型时的叶片包角为122°，出口安放角为27°。对模型进行网格划分，其中进口段网格总数308 491，叶轮网格总数800 721，蜗壳网格总数826 256，出口段网格总数325 882【4】。

2 计算方法及边界条件

为了更加符合离心泵的实际工况，采用标准RNGκ-ε湍流模型，进口边界条件选取总压恒定，压力为101 325 Pa；出口边界条件选取质量流量。叶轮作为旋转部件，转速1 450 r/min，采用GGI模式分析离心泵工作时的流体运动对主要工作参数的影响，并对收敛精度为10-6时的5种工作状态进行分析和计算。首先进行定量和常量情况下的计算，然后根据计算结果再进行非定量与非常量情况下的计算【5】。非定量与非常量的条件设置为：将叶轮旋转3°所需的时间Δt=3.448 3×10-4s设定为1个时间步长，在该时间步长内，系统进行10次采样，并将采样误差控制在10-6内。选取6个周期的总时间t=0.248 76 s进行计算分析，计算结果显示，在第3个周期后，系统呈现出明显的规律性，可以选取最后2个周期进行进一步分析【6】。

3 结果分析

3.1 外特性分析

离心泵的外特征分析需要用到外特征曲线。外特征曲线是根据扬程、效率、流量的相互关系与规律生成的。本文研究包角对外特征的影响。当流量发生变化时，对离心泵的外特征进行计算机模拟，得到外特征曲线(见图2)。扬程和效率按式(1)和式(2)进行计算。

图2 外特性变化曲线

(1)

式中：H——离心泵的扬程，m；

Pin——离心泵的进口总压，Pa；

Pout——离心泵的出口总压，Pa；

ρ——输送液体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

ΔZ——离心泵出口的高度差，m。

(2)

式中：η——离心泵的效率；

Q——流量，m3/h；

m——离心泵叶轮旋转的扭矩，N·m；

ω——离心泵叶轮旋转角速度，rad/s。

图2显示了离心泵叶片包角在几个不同数值情况下的外特性曲线。在设计流量下的最佳叶片包角为122°，这时离心泵的效率最高，并且外特征曲线向大流量方向偏移；在大流量情况下，随着叶片包角的增大，离心泵的整体工作效率下降，分析其原因是由于叶片包角增大导致摩擦损失增加所引起的【7】。

3.2 压力脉动分析

导致离心泵出现压力脉动的原因有很多，主要是由于叶轮与蜗壳动静干涉以及泵内二次回流导致压力发生周期变化产生的。为了进一步观察压力脉动的变化，在离心泵内选取了几个监测点，如图3所示。

图3 离心泵内监测点的位置

图4显示了流量分别为0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd并采取不同的叶片包角时，叶轮流道压力的脉动频域分布。每个监测点的压力测量值都经过快速傅里叶变换(FFT)。压力脉动研究所需的基础数据按照离心泵实际情况给出。叶轮为6叶片形式，转速n=1 450 r/min，转频N和叶频f分别为24.17 Hz与290Hz。分析图4可知，压力脉动主要来源为离心泵叶轮的转频，在流量与叶片包角发生变化时，顺着流体的流动方向从监测点Y1～Y5之间的压力脉动幅值呈上升趋势。Y1至Y5处的转频最大值出现在N=24.27 Hz时，随频率增加，压力脉动的幅值呈先增加后减小的趋势；当f=169 Hz时，离心泵的压力脉动频域中出现次幅值，并且各监测点的压力脉动最大幅值随着叶片包角的增大而增大，说明叶片包角的大小直接影响着离心泵压力脉动，二者成正比例关系。

图4 离心泵叶轮流道压力脉动频域分布

图5记录了离心泵在设计流量下采用不同叶片包角工作时的蜗壳流道内各监测点的压力脉动频域分布。通过对图5的分析能够发现：幅值变化较大的频率区间为0～600 Hz，而最大压力脉动幅值均出现在145 Hz时，即1倍叶频处；各监测点的情况非常类似，出现最大幅值的位置相同，压力脉动幅值最大位置出现在隔舌监测点T处，最小位置出现在离叶轮出口位置最远的监测点V4处；在所有监测点中，压力脉动幅值随叶片包角的增大而逐渐增大的监测点有隔舌监测点T和出口监测点B两个；监测点V1～V4在试验中均呈现出与叶片包角增加趋势相反的反比例规律。

图5 离心泵蜗壳流道压力脉动频域分布

4 结语

以1台中比转速离心泵为例进行研究，分析了叶片包角变化对离心泵压力脉动的影响。试验通过定常和非定常的数值模拟测定了叶片包角为116°、122°和128°时离心泵的外特性曲线，进而对叶轮流道与蜗壳流道内的压力脉动进行分析，得到如下2个结论：

1) 叶片包角122°时中比转速离心泵处于最佳的工作状态，能够获得设计工况下的最高工作效率，并且最佳效率点向大流量点偏移，对中比转速离心泵的工作非常有利，使其在设计流量和大流量工况下的扬程高于叶片包角为116°和128°时。

2) 设计工况时，叶片包角的增大起到了降低叶轮流道内的压力脉动的作用，使离心泵叶轮流道内的压力脉动减小，并且最小值出现在叶片包角为122°时，也就是说这个数值是中比转速离心泵叶片包角的最优选择。叶片包角的大小对蜗壳流道内的压力脉动影响较小。