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多級離心泵流場優(yōu)化及驗(yàn)證

2014-02-24 03:26張權(quán)周盼率志君李玩幽
噪聲與振動(dòng)控制 2014年2期
關(guān)鍵詞:蝸殼離心泵脈動(dòng)

張權(quán),周盼,率志君,李玩幽

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

離心泵在船舶與海洋工程中應(yīng)用廣泛,提高其設(shè)計(jì)效率、降低其運(yùn)行振動(dòng)和噪聲,對綠色船舶設(shè)計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

流體激勵(lì)力是離心泵主要振源之一,通過泵殼及軸承向外傳遞[1],研究其對機(jī)腳振動(dòng)影響對減振降噪來說尤為重要。國內(nèi)外對流體產(chǎn)生的振動(dòng)已經(jīng)進(jìn)行了一定研究,主要有實(shí)驗(yàn)[2]和數(shù)值模擬[3―5]兩種方法,倪永燕對離心泵流體誘導(dǎo)振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)[6];Gonzalez[7―9]利用CFD技術(shù)對離心泵整機(jī)流場進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,討論了蝸殼蝸舌附近由于動(dòng)靜干擾引起的壓力脈動(dòng),且與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比,吻合較好,得到了一些有益的結(jié)論。

本文通過切割葉輪、改變隔舌形式對某型多級離心泵進(jìn)行流場優(yōu)化,運(yùn)用RNGk-ε湍流模型計(jì)算優(yōu)化前后的壓力脈動(dòng)和流體激勵(lì)力以考察流場優(yōu)化效果,最后測試離心泵的機(jī)腳響應(yīng)變化來間接驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 計(jì)算區(qū)域及方法

1.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)

額定工況下,泵的運(yùn)行參數(shù)為:流量24 m3/h,出口壓力0.46 MPa,轉(zhuǎn)速1 460 r/min,三級葉輪葉片數(shù)依次為10、7、7。

泵內(nèi)流道非常復(fù)雜,因此采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。葉輪的幾何形狀及其中的流體流動(dòng)非常復(fù)雜,而且是運(yùn)動(dòng)部件,因此葉輪葉片表面需要做較細(xì)致的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和所要求的計(jì)算資源影響非常大,因此選擇出口壓力進(jìn)行網(wǎng)格靈敏度分析。

圖1 網(wǎng)格數(shù)對出口壓力預(yù)測的影響

圖1為網(wǎng)格數(shù)變化對出口壓力預(yù)測的影響。從中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為2 011 334(圖中虛線所示)、節(jié)點(diǎn)數(shù)數(shù)為546 160時(shí),出口壓力預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確,并且計(jì)算用時(shí)比較合理,因此選擇這個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

1.2 計(jì)算方法

首先對泵整機(jī)流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算,在相同條件下,將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始值。在每一級葉輪和蝸殼間分別形成滑移網(wǎng)格的條件,計(jì)算葉輪和蝸殼的相互干涉,得到整機(jī)內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征。

非穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用全隱式時(shí)間格式,選擇RNGk-ε湍流模型,固壁上取無滑移邊界條件,壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組,控制方程對流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式。

泵的進(jìn)口處采用速度進(jìn)口邊界條件,假定進(jìn)口處速度均勻并垂直于進(jìn)口斷面,給定速度初值;泵出口處滿足充分發(fā)展的假定,采用壓力出口邊界條件,認(rèn)為出口靜壓值不變。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過上述計(jì)算方法對計(jì)算模型進(jìn)行了流場計(jì)算,在此基礎(chǔ)上對原模型進(jìn)行流場優(yōu)化,具體優(yōu)化情況優(yōu)化如下所示。

2.1 葉輪優(yōu)化

泵的幾何形狀規(guī)定了葉輪外徑D2和殼體隔舌之間的間隙G(見圖3)。

圖3 葉輪外徑和蝸殼示意圖

改變G/D2將影響出口脈動(dòng)[10]。在流量和揚(yáng)程滿足使用的前提下,比值越大越好。改變隔舌間隙(增大G)可以通過切割葉輪的方法來完成,具體切割量由以下比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式?jīng)Q定

其中n——轉(zhuǎn)速,Q——流量,H——揚(yáng)程,Ns——比轉(zhuǎn)速。n=1 460 r/min,Q=24 m3/h,H=48.46 m,則Ns=183.5。

考慮到泵組的效率,切割量不能太大,在該比轉(zhuǎn)速下,限定的最大切割量為原葉輪直徑的12%左右[10]。這里切割量如下表1所示。

表1 葉輪切割量

單級葉輪流量與葉輪直徑成正比[11],而對于多級葉輪流量與直徑的關(guān)系沒有相應(yīng)的文獻(xiàn)可供參考。本文通過仿真計(jì)算切割葉輪后離心泵的流量,給定進(jìn)口速度邊界條件,計(jì)算出口流量為23.5 m3/h。而對于該泵當(dāng)流量處于23.38 m3/h~24.72 m3/h時(shí),均滿足使用要求。因此,切割葉輪后流量仍能達(dá)到使用要求,不影響泵的性能。為了確定揚(yáng)程變化情況,切割葉輪前后保證進(jìn)口壓力不變計(jì)算出口壓力,切割前出口壓力為0.46 MPa,切割葉輪后出口壓力為0.459 99 MPa,可見切割前后出口壓力(揚(yáng)程)變化并不大,滿足使用條件。

2.1.1 葉輪切割前后監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)對比

由于流場的壓力脈動(dòng)主要發(fā)生在葉輪和蝸殼的流道內(nèi),所以關(guān)注這兩個(gè)區(qū)域的壓力脈動(dòng)改善情況,觀測葉輪優(yōu)化前后這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng),驗(yàn)證優(yōu)化效果。葉輪和蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)分布圖如圖4與圖5所示。

選取一級葉輪壓力脈動(dòng)較大的點(diǎn)a1、a4、d1和d2進(jìn)行對比,葉輪優(yōu)化前后壓力脈動(dòng)對比如圖6所示。

圖4 葉輪流道中間截面壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)

圖5 蝸殼區(qū)域壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)

圖6 各監(jiān)測點(diǎn)結(jié)果對比

圖6中實(shí)線譜為切割葉輪前監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng),虛線譜為切割葉輪后監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)。由于轉(zhuǎn)速為1 460 r/min,三級葉輪葉片數(shù)依次為10、7、7,由此可以判斷一級葉輪葉頻為171 Hz,二三級葉輪葉頻為242 Hz。從圖中可以看出切割葉輪后葉輪及蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)在葉輪的葉頻下幅值有所減小,只有各別葉頻較高倍頻的峰值略有增大??梢娗懈钊~輪后對葉輪內(nèi)整體流場的壓力脈動(dòng)有一定的改善效果。

2.1.2 葉輪切割前后流場激勵(lì)力對比

為了更直觀的體現(xiàn)優(yōu)化效果,將優(yōu)化前后的葉輪所受流場激勵(lì)力進(jìn)行對比,對比結(jié)果如圖7所示。

圖中實(shí)譜線為原模型流場激勵(lì)力,虛譜線為切割葉輪后流場激勵(lì)力。以一級葉輪受力對比為例,從圖7可以看出,切割葉輪后一級葉輪葉頻下流體激勵(lì)力有明顯的減小,可見切割葉輪不但使得壓力脈動(dòng)情況有所改善,葉輪受力也有一定減小。但是流場優(yōu)化對機(jī)腳振動(dòng)的影響需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,二三級葉輪情況與一級葉輪基本相同在此不做具體分析。

圖7 一級葉輪z向力

2.2 隔舌優(yōu)化

常規(guī)的單隔舌蝸殼離心泵之所以要有一個(gè)最佳的隔舌與葉輪間距,因?yàn)殚g距太小,流體流過隔舌與葉輪外徑的間隙時(shí),就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)。若間距過大,盡管流體對隔舌的沖擊情況會(huì)有所改善,但卻會(huì)一部分流體在蝸殼內(nèi)隨著葉輪不停地循環(huán),既消耗功率,又減少了流量,同時(shí)還會(huì)與葉輪出口的流體發(fā)生周期性地撞擊,從而產(chǎn)生低頻振蕩,壓力脈動(dòng)增大。

采取階梯隔舌,便可使兩個(gè)隔舌各司其職,下隔舌可用來保證泵性能必要的間距,上隔舌則可拉開更大的間距,以使流體對隔舌的沖擊情況得到改善[12]。階梯形隔舌與常規(guī)隔舌的區(qū)別如圖8所示。

2.2.1 優(yōu)化隔舌前后監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)對比

圖8 階梯形隔舌與常規(guī)隔舌

葉輪和蝸殼流道內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)分布圖如圖4與圖5所示。此處仍然選取一級葉輪壓力脈動(dòng)較大的點(diǎn)a1、a4、d1和d2進(jìn)行對比,優(yōu)化前后監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)對比如圖9所示。

圖9中實(shí)線譜為原模型前監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng),虛線譜為采用階梯隔舌監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)。從圖中可以看出監(jiān)測點(diǎn)a1效果比較好,而監(jiān)測點(diǎn)a4壓力脈動(dòng)雖然小幅降低,甚至有些頻率幅值略有升高,但整體還是有一定改善效果。造成這種情況的原因是監(jiān)測點(diǎn)a1更接近隔舌區(qū),而優(yōu)化后隔舌區(qū)射流及回流現(xiàn)象有明顯改善,所以效果較好,而監(jiān)測點(diǎn)a4則距離隔舌區(qū)較遠(yuǎn),改善效果不是很明顯。而監(jiān)測點(diǎn)d1和d2都靠近隔舌區(qū),從圖9可以看出監(jiān)測點(diǎn)d1和d2改善效果都比較理想??傮w來看階梯隔舌對整體流場的壓力脈動(dòng)有很明顯的改善效果。

2.2.2 優(yōu)化隔舌前后流場激勵(lì)力對比

將優(yōu)化前后的葉輪所受流場激勵(lì)力進(jìn)行對比,對比結(jié)果如圖10所示。

圖中實(shí)譜線為原模型流場激勵(lì)力,虛譜線為采用階梯隔舌后葉輪的流場激勵(lì)力。以一級葉輪受力對比為例,從圖10可以看出,優(yōu)化隔舌后流體激勵(lì)力在一級葉輪葉頻下幅值都有一定減小,與優(yōu)化葉輪相比效果基本相當(dāng)??梢婋A梯隔舌對流場也有一定改善效果。

3 優(yōu)化效果驗(yàn)證

階梯隔舌工藝上難于實(shí)現(xiàn),因此實(shí)際工程中采用切割葉輪的優(yōu)化方法。為驗(yàn)證仿真結(jié)果,下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于實(shí)際測試條件限制,壓力脈動(dòng)、流場激勵(lì)力測試?yán)щy,難于實(shí)現(xiàn)。切割葉輪能有效改善壓力脈動(dòng)和流場激勵(lì),即多級離心泵的激勵(lì)源發(fā)生了變化,機(jī)腳響應(yīng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,因此測試切割葉輪前后離心泵的機(jī)腳響應(yīng)來間接驗(yàn)證優(yōu)化效果。離心泵機(jī)腳考核點(diǎn)布置圖如圖11所示。優(yōu)化前后各考核點(diǎn)的加速度響應(yīng)對比如圖12所示。

圖9 各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)對比

表2 響應(yīng)對比

圖10 一級葉輪z向力

從圖12中可以看出優(yōu)化后各級葉輪葉頻(171 Hz、242 Hz)下響應(yīng)有所降低,可見切割葉輪有一定改善效果。表2對比了優(yōu)化前后各考核點(diǎn)的加速度振級。從表2可以看出優(yōu)化后總振級降低了4 dB左右,由此可以間接驗(yàn)證流場的優(yōu)化是有一定改善效果的。

4 結(jié)語

圖11 考核點(diǎn)布置圖

(1)選用切割葉輪和改用階梯隔舌方法對流場優(yōu)化,從壓力脈動(dòng)及葉輪受力兩個(gè)方面對優(yōu)化效果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)有所降低,并且葉輪受力也有所減??;

(2)通過測試機(jī)腳響應(yīng)的變化對優(yōu)化效果進(jìn)行間接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用切割葉輪的方法總振級降低了4 dB左右,可見優(yōu)化對流場有一定的改善效果。

圖12 考核點(diǎn)響應(yīng)

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