离心泵空化诱导的非定常激励特性

2023-09-05孟根其其格周文杰马文龙刘文富

水力发电 2023年8期

孟根其其格，周文杰，2，马文龙，杨薇，彭芳，刘文富，曹磊

(1.内蒙古化工职业学院，内蒙古呼和浩特 010070；2.内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

离心泵内部流体激励是引起振动的主要原因之一，因为涉及到叶轮和蜗壳动静干涉、空化、流动分离、尾迹等宏观现象及多重尺度的涡结构等诸多因素[1-4]，其机理非常复杂。随着泵行业向大型化、高速化方向发展，空化诱导的激励问题尤为突出。泵内发生空化不仅会产生振动噪声[5-6]，还会降低泵运行性能[7-8]，严重时甚至会导致泵停止工作。罗旭等[9]研究了在不同工况下离心泵叶轮径向力变化规律，指出空化对径向力产生不利影响。Gao等[10]对离心泵空化诱导的振动特性进行了试验测量，提出利用空化诱导振动特性，可以提前有效地检测空化，因为振动能量上升比扬程下降3%时临界空化要早。Ran等[11]采用高速摄像机观测了水泵水轮机的叶轮入口附近的空化现象，结果表明在叶轮入口和尾水管相互作用区域内复杂旋涡是产生二次扬程下降的关键。孟根其其格等[12-13]采用RNGk-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，对非空化与空化条件下的离心泵内部非定常流动进行数值模拟，指出蜗壳内压力脉动主频均为叶频，同时出现空化时第I断面处旋涡速度增强，随时间变化剧烈，诱发流动的强烈扰动；通过双吸离心泵内部流动的数值模拟，分析了叶轮内空泡发展过程及其对泵扬程的影响。

综上所述，泵空化引起的激励机理需深入研究，本文以中比转速离心泵为研究对象，采用RNGk-ε湍流模型和修正Zwart-Gerber-Belamri空化模型，数值模拟离心泵内部非定常流动，探讨泵叶轮内部压力脉动特性、涡量脉动特性及叶轮受力特性。

1 模型离心泵

试验模型泵采用比转速为102的中比转速单级单吸离心泵，三维模型如图1所示，其设计流量为25 m3/h，转速为1 450 r/min，扬程为7 m。叶轮为采用正反问题迭代设计法[14]获得的闭式叶轮，叶片形状为扭曲形，叶片数为7。

图1 离心泵三维模型

2 数值模拟方法

2.1 空化模型

空化模型采用Zwart等[15]提出的Zwart-Gerber-Belamri质量输运空化模型。

(1)

(2)

(3)

2.2 计算方法

离心泵全流道计算域应用ICEM和TurboGrid软件进行网格划分，全部采用结构化网格，叶轮网格如图2所示，同时取5组不同密度的网格进行网格无关性检验，随网格数增加泵扬程变化非常小，因此总网格数取为184万，如图3所示。

图2 叶轮网格

图3 计算域网格无关性检验

软件ANSYS CFX20.0中，选用RNGk-ε湍流模型和质量输运空化模型Zwart-Gerber-Belamri进行数值模拟。进口边界条件设为总压，出口边界条件设为质量流量，固体壁面边界条件设为不可滑移。空化计算中，以未发生空化单相计算结果作为空化流动初始值，逐步降低进口总压实现空化的产生，以定常结果作为非定常初始条件。叶轮旋转周期为T=0.041 38 s，计算时间步长为Δt=1.847×10-4s，时间步长无关性验证已在前期研究中进行[18]。本文数值模拟选择小流量工况，其流量为20.034 m3/h。

3 结果分析

3.1 离心泵空化外特性

离心泵有效空化余量NPSHa的计算公式为

(4)

式中，pin为离心泵进口压力，Pa；uin为离心泵进口速度，m/s。

3.2 压力脉动及涡量脉动

为分析离心泵叶轮内压力脉动及涡量脉动，将在叶轮叶片吸力面上，从叶轮进口向出口均布3个监测点，依次为S1、S2、S3，如图4所示。

图4 叶片吸力面监测点

基于计算结果，对非空化工况、空化工况NPSHa=1.6 m和NPSHa=1.2 m时的最后10个叶轮旋转周期的瞬态压力、涡量数据进行快速傅里叶变换(FFT)，获得叶片吸力面监测点S1～S3上的压力脉动和涡量脉动频域特性，如图5、6所示。叶轮转频fi=24.17 Hz。

图5 非空化和空化工况下监测点S1～S3压力脉动频域特性

由图5可知，非空化工况和空化工况时，各监测点压力脉动的主频均为叶轮转频fi。叶片吸力面压力脉动强度的总体变化趋势为从进口到出口逐渐增强。NPSHa=1.2 m时，在1/5fi下3个监测点上均出现了高幅值压力脉动，其值分别为122.0、732.5、152.7 Pa，监测点S2上幅值最大，其值为监测点S1的6倍、监测点S3的5倍。监测点S2上1/5fi下压力脉动幅值最大。

由图6可知，非空化工况和空化工况NPSHa=1.6 m时，监测点S1和S2涡量脉动的主频均为叶轮转频fi，监测点S3涡量脉动的主频为2fi；NPSHa=1.2 m时，监测点S1涡量脉动的主频为fi，监测点S2主频为1/5fi，监测点S3主频为2fi。非空化工况和空化工况时，涡量脉动强度在各频率下出口S3点最大，进口S1点其次，叶片长度1/2处S2点最小。NPSHa=1.2 m时，在1/5fi下3个监测点上均出现了高幅值涡量脉动，幅值分别为39.2/s、43.3/s、305.8/s，监测点S3上幅值最大，其值为监测点S1的8倍、监测点S2的7倍。监测点S3上1/5fi下涡量脉动幅值最大。

图6 非空化和空化工况下监测点S1～S3涡量脉动频域特性

3.3 径向力特性

图7中给出了非空化工况、空化工况NPSHa=1.6 m和NPSHa=1.2 m时的叶轮径向力分布示意。由图7可知，在叶轮1个旋转周期内，径向力呈现连续性周期变化，峰值和谷值个数与叶片数相等。与非空化工况相比，空化工况NPSHa=1.6 m和NPSHa=1.2 m时，径向力峰值和谷值出现的位置发生变化，径向力分布形状基本不变。NPSHa=1.6 m时，由于空泡排挤作用，导致叶轮有效过水断面减小、流动速度增加，并对叶轮进口处冲角产生影响，径向力峰值有所下降；空化充分发展NPSHa=1.2 m时，空泡脱落、溃灭引起高压、高温、高速射流等，使径向力峰值增大，加剧机组的径向摆动幅度。