劉凱

摘要：指出了離心泵葉輪的非定常入流特性對(duì)其流動(dòng)誘發(fā)壓力脈動(dòng)、振動(dòng)特性影響顯著。對(duì)葉輪的非定常入流特性進(jìn)行了全面分析，闡述了其目前研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了非定常入流性能的控制及改善措施。進(jìn)一步展望了離心泵葉輪非定常入流特性的發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)研究的繼續(xù)深入提供參考。

關(guān)鍵詞：離心泵葉輪；非定常入流；激勵(lì)特性；研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TH311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）22015203

1 引言

離心泵作為典型、通用的流體機(jī)械，在國防、核能等領(lǐng)域中屬關(guān)鍵設(shè)備，隨著用途特殊化，運(yùn)行條件極端化，運(yùn)行工況多樣化，泵的持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行要求也日益嚴(yán)苛。隨著泵朝向大型化、高速化、高功率密度方向發(fā)展，泵的振動(dòng)噪聲成為目前研究的熱點(diǎn)問題，也是設(shè)計(jì)過程中面臨的難點(diǎn)和新挑戰(zhàn)。尤其是具有極高隱蔽性要求的水下軍事裝備，低振動(dòng)噪聲特性是泵首要設(shè)計(jì)要求，其振動(dòng)噪聲能量級(jí)瓶頸的突破是目前泵領(lǐng)域亟待解決的難題。離心泵葉輪進(jìn)口存在復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括口環(huán)間隙泄漏流、回流、二次流等，其將對(duì)主流產(chǎn)生明顯影響，進(jìn)而將對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)誘發(fā)的壓力脈動(dòng)、振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。因此，離心泵葉輪非定常流動(dòng)特性的研究具有顯著的學(xué)術(shù)及工程價(jià)值。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 口環(huán)泄漏流動(dòng)的研究

口環(huán)間隙泄漏流是葉輪進(jìn)口關(guān)鍵的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。潘中永等 [1]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)，研究了葉輪口環(huán)間隙對(duì)離心泵性能的影響，設(shè)計(jì)了包含前后泵腔在內(nèi)的全流場(chǎng)模型，基于RNG k-ε湍流模型，建立了3種口環(huán)方案，從湍動(dòng)能、渦量和徑向力角度，分析了口環(huán)間隙對(duì)離心泵全流場(chǎng)水力效率和機(jī)械效率的影響。張金鳳 等[2]基于在小流量工況下運(yùn)行時(shí)離心泵葉輪進(jìn)口會(huì)產(chǎn)生進(jìn)口回流現(xiàn)象，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，應(yīng)用ANSYS CFX軟件對(duì)不同工況下低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)口處的三維湍流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了流場(chǎng)內(nèi)的速度分布。周嶺 等[3]針對(duì)典型的150QJ20型深井離心泵，設(shè)計(jì)了3種不同進(jìn)口邊位置的葉輪。對(duì)不同進(jìn)口邊位置的葉輪出口斷面的壓力場(chǎng)、湍流場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了比較，并結(jié)合試驗(yàn)分析了進(jìn)口邊位置對(duì)深井離心泵水力性能的影響。牟介剛 等[4]通過對(duì)農(nóng)用離心泵的汽蝕性能進(jìn)行研究，建立了離心泵汽蝕余量的理論計(jì)算方程，并分析了汽蝕余量與葉輪口環(huán)間隙大小之間的關(guān)系。

國外方面，Sivo J M等 [5]研究了離心泵的前蓋板口環(huán)出口-進(jìn)口泄漏產(chǎn)生的力，以及渦流制動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)子水力特性的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明渦流制動(dòng)器可以有效地減少低流速下破壞穩(wěn)定的切向力。Uy R V等[6]通過把泄漏的幾何路徑從圓錐形的形狀修改為典型的弧形設(shè)計(jì)，研究了其對(duì)泵的影響，發(fā)現(xiàn)只有交叉耦合的部分受泄漏路徑幾何變化的影響。Baskharone E A等[7]計(jì)算了作用于泵葉輪的流體-前蓋板相互作用力，該作用力繞泵殼向前，并且推導(dǎo)了和轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的相互作用。Uy R V等[8]研究了離心泵因葉輪出口至進(jìn)口段泄漏引起的不穩(wěn)定的力。Guinzburg等[9]研究了一種流體作用力決定轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性穩(wěn)定性和離心泵性能的動(dòng)靜干涉問題。重點(diǎn)研究了離心泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件葉輪的前蓋板和靜止部件泵殼之間的出口至進(jìn)口段泄漏引起的葉輪所受作用力。

國內(nèi)外關(guān)于葉輪出口至進(jìn)口段泄漏的研究數(shù)量較葉輪進(jìn)口區(qū)域內(nèi)其他部件多，但也非常有限，僅提供了葉輪前蓋板和泵殼之間間隙對(duì)固壁的激勵(lì)特性，沒有將流動(dòng)特性與壓力脈動(dòng)和振動(dòng)特性進(jìn)行聯(lián)系。

2.2 離心泵進(jìn)口區(qū)域流動(dòng)的研究

袁壽其等[10]基于有限體積方法，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，應(yīng)用ANSYS CFX軟件對(duì)不同工況下低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)口處的三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過在進(jìn)口流場(chǎng)中設(shè)置大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集速度變化數(shù)據(jù)，對(duì)回流發(fā)生和發(fā)展過程中進(jìn)口處的回流旋渦形態(tài)和流場(chǎng)速度分布進(jìn)行了分析。朱榮生[11] 針對(duì)某低比轉(zhuǎn)數(shù)雙吸離心泵在小流量工況下出現(xiàn)回流的問題，利用CFD技術(shù)對(duì)雙吸泵及吸水室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并提出定點(diǎn)速度值分析法，模擬流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中采用的動(dòng)態(tài)探針采樣測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)回流問題進(jìn)行研究。針對(duì)葉輪進(jìn)口相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)在不同流量下的速度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律和理論分析結(jié)果與以往文獻(xiàn)中試驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律變化一致。黃建德[12]對(duì)不同葉片進(jìn)口角、葉片數(shù)、不同葉頂間隙的開式和閉式離心葉輪共12種葉輪的進(jìn)口流場(chǎng)和回流發(fā)生情況進(jìn)行了探針的動(dòng)態(tài)測(cè)試和可視化觀察。理清了上述葉輪參數(shù)對(duì)進(jìn)口回流初始流量和進(jìn)口流場(chǎng)的影響。李意民等 [13]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上用動(dòng)力學(xué)理論對(duì)離心葉輪機(jī)械入口的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行了研究。把離心葉輪入口流動(dòng)看成是保守系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立了理想流動(dòng)的自治系統(tǒng)。在相平面內(nèi)初步討論了離心葉輪入口流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

總體來看，國內(nèi)關(guān)于離心泵進(jìn)口段的流動(dòng)研究多數(shù)運(yùn)用商業(yè)軟件和實(shí)驗(yàn)配合的手段模擬和測(cè)量外特性；國外對(duì)于離心泵進(jìn)口段的研究集中于揭示旋渦、二次流等流動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于固壁的作用力，以及其他進(jìn)口段流動(dòng)特征與其影響結(jié)果之間的關(guān)系。

2.3 進(jìn)口不良流動(dòng)的控制

譚磊等[14]基于水力機(jī)械基本方程，建立了前置導(dǎo)葉離心泵的損失計(jì)算模型，將前置導(dǎo)葉離心泵的損失分為葉輪損失、前置導(dǎo)葉損失和蝸殼損失三部分。完成了不同工況、不同預(yù)旋角度下裝有前置導(dǎo)葉的XA150/32型離心泵外特性試驗(yàn)。馮民權(quán)等 [15]運(yùn)用數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)導(dǎo)流板的最佳布置方式和導(dǎo)流效果進(jìn)行研究。數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果表明：多組次傾斜放置的導(dǎo)流板群所起的導(dǎo)流護(hù)岸作用明顯。王海民等[16]運(yùn)用軸流泵孤立葉片設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了基于Gottingen翼型的前置導(dǎo)流葉片，并對(duì)離心泵預(yù)旋調(diào)節(jié)的基本規(guī)律及調(diào)節(jié)機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)單吸離心泵采用前置導(dǎo)葉長弦端靠近中心軸的安裝方式對(duì)離心泵外特性的改善效果要優(yōu)于前置導(dǎo)葉短弦端靠近中心軸的安裝方式。王海民等[17]為了優(yōu)化離心泵運(yùn)行工況調(diào)節(jié)，運(yùn)用葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)和前置導(dǎo)葉預(yù)旋調(diào)節(jié)的基本理論，在整流片和Gottingen-364翼型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出兩種不同翼型的前置導(dǎo)葉預(yù)旋調(diào)節(jié)裝置，研究了不同翼型前置導(dǎo)葉正預(yù)旋對(duì)離心泵水力特性的影響。曹樹良等[18]借鑒傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，提出一種全新的適用于離心泵前置導(dǎo)葉預(yù)旋調(diào)節(jié)的空間導(dǎo)葉水力設(shè)計(jì)方法，該方法假定前置導(dǎo)葉出口的流體滿足等速度矩條件，通過四次分布函數(shù)給定葉片安放角沿軸面流線的分布規(guī)律來控制葉片的空間形狀，采用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線繪型，在圓柱展開面上對(duì)葉片骨線雙面加厚完成三維空間導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)。endprint

Bird G A[19]在渦輪分子泵的二維流動(dòng)中運(yùn)用直接模擬Monte Carlo法，結(jié)果表明：把轉(zhuǎn)子作為第一級(jí)的常規(guī)泵會(huì)在泵進(jìn)口處的真空室產(chǎn)生不可忽略的混亂流動(dòng)。在轉(zhuǎn)子前面加一個(gè)前置導(dǎo)葉，相當(dāng)于一個(gè)靜子部件，即可無不利影響地減少這種非定常流動(dòng)。Aissa，Walid A[20]所在的South Valley大學(xué)的能量高級(jí)學(xué)科的流體實(shí)驗(yàn)室通過分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)基本離心泵的性能進(jìn)行了研究，主要通過實(shí)驗(yàn)的手段改變不同的進(jìn)口條件對(duì)離心泵性能的影響。

國內(nèi)關(guān)于前置導(dǎo)葉的研究集中在前置導(dǎo)葉對(duì)泵性能的影響，沒有對(duì)前置導(dǎo)葉對(duì)于葉輪進(jìn)口區(qū)域流動(dòng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究；國外對(duì)于前置導(dǎo)葉的研究更加偏于理論分析，也分析了前置導(dǎo)葉對(duì)于進(jìn)口流動(dòng)的影響，但數(shù)量較少。

3 發(fā)展趨勢(shì)

離心泵葉輪進(jìn)口區(qū)域的流動(dòng)特性對(duì)于固壁的作用力、壓力脈動(dòng)以及振動(dòng)特性的影響較大，因此對(duì)于這一區(qū)域的研究也日益重要，由國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，離心泵葉輪進(jìn)口區(qū)域的發(fā)展會(huì)向著揭示該區(qū)域的流動(dòng)機(jī)理，建立該區(qū)域的流動(dòng)與壓力、振動(dòng)的關(guān)系，形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法以及完善抑制該區(qū)域二次流、旋渦、高低能量流體碰撞融合效果的方法。

4 結(jié)語

離心泵進(jìn)口的非定常流動(dòng)特性對(duì)泵的能量性能、空化性能、激勵(lì)特性都將產(chǎn)生顯著影響，然而相關(guān)研究的廣度、深度都較為欠缺，缺乏完整的進(jìn)口流動(dòng)及激勵(lì)理論，未能建立起進(jìn)口流動(dòng)與主流的相互作用關(guān)系。此外，大量研究成果僅從數(shù)值計(jì)算角度對(duì)進(jìn)口流動(dòng)進(jìn)行研究，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，比如進(jìn)口非定常流動(dòng)的PIV、LDA實(shí)驗(yàn)。因此，對(duì)于離心泵進(jìn)口非定常流動(dòng)及激勵(lì)特性而言，還需要進(jìn)行大量的研究工作，通過建立內(nèi)流的相互作用關(guān)系為離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。

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Abstract： The unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump impeller have a significant effect on the flow induced pressure pulsation and vibration characteristics. In this paper， the unsteady inflow characteristics of the impeller are summarized， and the current research status is discussed. Besides， the control and improvement measures of unsteady inflow performance are summarized. Finally， the development trend of the unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump is analyzed， and the direction of the research is further studied.

Key words： centrifugal pump； unsteady inflow； excitation characteristics； research statusendprint