吳晨暉,湯方平,石麗建,謝傳流,張文鵬

(揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225127)

S形軸伸貫流泵裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行效率高、便于檢修等特點,因而被廣泛應用于中大型低揚程泵站。S形軸伸式貫流泵裝置由進水流道、葉輪體、導葉體、出水流道4部分組成,其中導葉可以平順水流并將液體的動能轉(zhuǎn)換為壓能,是泵裝置中一種重要的過流部件。導葉參數(shù)的變化會直接影響葉輪與導葉之間的非定常水力相互作用,從而改變泵裝置內(nèi)部的壓力脈動特性。壓力脈動會誘導泵裝置產(chǎn)生噪聲與振動,影響泵站運行時的穩(wěn)定性。因此,研究不同導葉參數(shù)對泵裝置壓力脈動的影響是十分有價值的。目前,國內(nèi)外學者主要通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式研究泵裝置壓力脈動的起因與特性以及壓力脈動與振動噪聲之間的關(guān)系。湯方平等[1-4]對軸流泵裝置進行了三維非定常數(shù)值模擬,研究得出了軸流泵裝置葉片區(qū)內(nèi)部的壓力脈動頻率主要受葉頻控制的結(jié)論。楊帆等[5-6]基于雷諾時均方程對貫流泵裝置進行了全流道非定常數(shù)值模擬,提出了其壓力脈動特性受周期性水動荷載影響較大的結(jié)論。Schennach等[7-8]利用二維激光多普勒測速儀分析了前后導葉之間的不同相對距離對后導葉流場的影響。Liu等[9-12]研究了不同導葉葉片數(shù)對泵裝置壓力脈動特性的影響,認為導葉葉片數(shù)越多,導葉內(nèi)部壓力脈動幅值越高。程效銳等[13-16]結(jié)合數(shù)值模擬與試驗,分析了不同離心泵導葉參數(shù)對泵裝置壓力脈動的影響,認為導葉與葉輪參數(shù)匹配存在最優(yōu)的結(jié)論。

盡管國內(nèi)外學者對于葉輪與導葉之間動靜干涉引起的壓力脈動進行了許多研究并獲得了大量成果,但是關(guān)于導葉與葉輪相對距離對泵裝置壓力脈動的影響研究較少。本文在前人的研究基礎(chǔ)上,以一臺S形軸伸貫流泵裝置作為研究對象,對4個不同導葉相對距離的泵裝置進行三維非定常數(shù)值模擬,重點研究不同導葉相對距離對泵裝置壓力脈動頻域特性、不同斷面壓力脈動強度分布以及水力性能的影響,以期為S形軸伸貫流泵裝置葉輪與導葉的匹配優(yōu)化提供參考。

1 計算模型與數(shù)值模擬

1.1 計算模型與監(jiān)測斷面

圖1 泵裝置計算模型

圖2 導葉相對距離示意圖(單位：mm)

研究模型為一臺S形軸伸貫流泵裝置,主要由進出水流道及延伸段、葉輪體以及導葉體組成,如圖1所示。葉輪葉片數(shù)為3片,葉頂間隙為0.15 mm,葉輪直徑D=300 mm,導葉片數(shù)為5片,設(shè)計流量為225 L/s,轉(zhuǎn)速為1 022 r/min,進出水流道各延長2.4 m。圖2為不同葉輪與導葉之間相對距離示意圖,本文共研究4種導葉相對距離,以葉輪葉片根部與導葉葉片根部之間間隔6 mm為基準方案,其他方案導葉位置分別向后移動10 mm。應用ICEM軟件對泵裝置的進出水流道及其延伸段進行網(wǎng)格劃分,采用Turbo grid軟件對葉輪室以及導葉體建立模型并劃分網(wǎng)格,經(jīng)檢驗各部分網(wǎng)格質(zhì)量較好,其中進出水流道及延伸段網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.35。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證,當泵裝置總網(wǎng)格數(shù)達到160萬時,裝置揚程基本保持穩(wěn)定。最終計算模型總網(wǎng)格數(shù)確定為200萬左右,其中由于導葉相對距離不同,導葉網(wǎng)格也不完全相同,保持在55萬左右。

為研究S形軸伸貫流泵裝置內(nèi)部壓力脈動,在導葉進口斷面由輪轂測到輪緣側(cè)均勻布置P1～P4 4個監(jiān)測點,導葉出口斷面則由內(nèi)到外布置P5～P8 4個監(jiān)測點(圖3),另外選取導葉體至出水流道沿軸向方向的中截面,以研究裝置沿軸向方向的壓力脈動強度變化。

圖3 監(jiān)測斷面位置

1.2 數(shù)值計算設(shè)置與計算方法

在非定常數(shù)值模擬計算中,出口采用流量,設(shè)計流量Q=225 L/s,進口采用固定總壓,總壓設(shè)定為1個標準大氣壓,進出水流道延伸段表面設(shè)置為自由水面,自由水面對速度和湍動能均采用對稱平面處理,各部位壁面選用光滑壁面與無滑移邊界。在定常計算中,采用Stage交界面處理葉輪與進水流道、導葉體之間動靜耦合流動的參數(shù)傳遞,而在非定常計算中,將進水流道與葉輪、葉輪與導葉交界面設(shè)置為“瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-定子”,設(shè)置時間步長為4.892 37×10-4s,每一步葉輪旋轉(zhuǎn)3°,葉輪旋轉(zhuǎn)一周需要120步,總計算時間為0.352 25 s,共6個周期,取最后3個周期的結(jié)果分析壓力脈動頻域,取最后1個周期的結(jié)果分析壓力脈動強度分布。

(1)

(2)

圖4 模型泵裝置

圖5 試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

1.3 外特性試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,對導葉相對距離A=16 mm方案的S形軸伸式貫流泵模型裝置進行外特性模型試驗。試驗在揚州大學高精度水力機械試驗臺上進行,經(jīng)鑒定,效率測試系統(tǒng)綜合不確定度為±0.39%,通過國家計量認證。試驗按照水利部行業(yè)標準SL140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》要求,每個葉片安放角的水力性能試驗點不少于18個;臨界汽蝕余量按流量保持常數(shù),改變有效汽蝕余量至效率下降1%時確定;泵裝置的試驗效率為扣除機械損失轉(zhuǎn)矩后的數(shù)值。圖4為模型現(xiàn)場測試段照片,整理泵裝置模型試驗揚程效率曲線與數(shù)值模擬外特性曲線對比如圖5所示,圖中η為效率,H為揚程。

由圖5可知,在設(shè)計流量和大流量工況下,數(shù)值模擬揚程曲線與模型試驗揚程曲線吻合度較高,在小流量工況下,數(shù)值模擬揚程略低于模型試驗揚程。在大流量工況下數(shù)值模擬效率略高于試驗效率，而在小流量工況下略低于試驗效率?？傮w而言,數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與模型試驗吻合度較高,整體趨勢保持一致,各點誤差都在5%以內(nèi)。對比非定常計算結(jié)果、定常計算結(jié)果與試驗結(jié)果,在設(shè)計工況下三者揚程相對差值最大不超過1.4%,因此取設(shè)計工況下泵裝置內(nèi)部流場特征作為分析對象。

2 結(jié)果分析

2.1 不同方案外特性對比

針對設(shè)計工況,對不同導葉葉輪相對距離方案進行了非定常數(shù)值模擬,計算得不同導葉相對距離下的揚程與效率系數(shù)如圖6所示。

圖6 揚程與效率系數(shù)曲線

由圖6可知,隨著A由6 mm增加到26 mm,揚程效率曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,而在A由26 mm增加到36 mm時,揚程效率變化不明顯。最高揚程效率出現(xiàn)在A=16 mm時,而最低揚程效率出現(xiàn)在A=6 mm時,其揚程相對差值為6.3%,效率相對差值為3.4%,由此可見,A對揚程的影響比對相對效率的影響更明顯,而產(chǎn)生揚程效率波動的原因可能是導葉相對距離對裝置內(nèi)部水流流態(tài)影響較大。葉輪屬于動葉,導葉屬于靜葉,葉輪與導葉之間存在強烈的動靜干涉作用。葉輪導葉之間相對距離對二者之間的動靜干涉作用強度有直接的影響,所以葉輪導葉之間相對距離對泵裝置的水流流態(tài)和壓力脈動特性有明顯的影響。而導葉與葉輪之間的相對距離過遠時,導葉無法及時平整葉輪流出的水流,在葉輪與導葉葉片之間出現(xiàn)了脫流等不良流態(tài),從而影響到泵裝置水流流態(tài)與壓力脈動特性。

2.2 導葉體壓力脈動頻域分析

2.2.1 導葉進口壓力脈動頻域

為分析不同導葉相對距離對泵裝置壓力脈動頻域特性的影響,通過對非定常數(shù)值模擬得出的壓力脈動時域數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,得到了設(shè)計工況下,不同方案在導葉進口與導葉出口斷面上的壓力脈動頻域特性圖如圖7所示,圖中f為葉輪轉(zhuǎn)動頻數(shù)。

圖7 不同方案導葉進口斷面各測點壓力脈動頻域

圖8 不同方案導葉出口斷面各測點壓力脈動頻域

由圖7可知,當A一定時,導葉進口處壓力脈動幅值沿導葉輪緣到輪轂呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,高頻頻譜越來越豐富。在設(shè)計工況下,不同A值的導葉進口壓力脈動頻譜特性的變化基本一致,主頻是3倍轉(zhuǎn)頻,次頻為6倍轉(zhuǎn)頻,可見導葉相對距離對導葉進口主頻沒有影響。在A由6 mm增大到26 mm的過程中,壓力脈動主頻幅值呈現(xiàn)逐漸減小而次頻幅值基本不變的趨勢。A>26 mm時,導葉體進口各測點壓力脈動特性基本保持不變,這是由于隨著導葉越來越遠離葉輪,兩者之間的動靜干涉作用越來越小,葉輪導葉之間的動靜干涉作用已不再是影響導葉體進口壓力脈動的主要因素。

2.2.2 導葉出口壓力脈動頻域

不同方案導葉出口斷面各測點壓力脈動頻域如圖8所示,當導葉位置不變時,導葉出口壓力脈動幅值沿輪緣到輪轂呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,與導葉進口處幅值變化相反,在5張導葉葉片對水流的平順作用下,導葉出口壓力脈動特性整體弱于導葉進口,沿輪緣至輪轂,各測點壓力脈動低頻頻譜占總頻譜的比重逐漸增加。在A由6 mm增大到26 mm的過程中,各觀測點壓力脈動低頻與中頻幅值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,當A=26 mm時,各觀測點壓力脈動幅值均為最小,而當A由26 mm增大到36 mm時,各測點壓力脈動特性變化不明顯。其原因在于當導葉過于接近葉輪時,二者之間的動靜干涉作用較強,使得各測點產(chǎn)生較大的壓力波動;而當導葉過于遠離葉輪時,導葉體內(nèi)部產(chǎn)生回流區(qū),從而激勵低頻脈動的產(chǎn)生。

圖9 導葉進口斷面壓力脈動強度對比

圖10 導葉出口斷面壓力脈動強度對比

2.3 壓力脈動強度分析

2.3.1 導葉進口壓力脈動強度

為進一步分析泵裝置各截面壓力脈動強度分布,計算最后1個周期內(nèi)設(shè)計工況下導葉進出口斷面與出水結(jié)構(gòu)中截面上壓力脈動強度,結(jié)果如圖9所示。由于旋轉(zhuǎn)葉輪與導葉之間的動靜干涉,在近輪緣側(cè)出現(xiàn)了5個相對對稱的高壓力脈動強度區(qū)域。截面整體壓力脈動強度梯度分布隨著導葉相對距離的增大越來越均勻,截面高壓力脈動強度面積逐漸減小,在A=36 mm時最優(yōu)。隨著A的逐漸增加,導葉進口近輪緣側(cè)壓力脈動強度分布變化較大而近輪轂側(cè)變化不明顯,由此可以得出,導葉相對距離對導葉進口輪緣附近區(qū)域的壓力波動影響較大而對輪轂附近區(qū)域影響不明顯。

2.3.2 導葉出口壓力脈動強度

圖10為設(shè)計工況下導葉出口截面上的壓力脈動強度分布圖。由圖10可以看出,導葉相對距離對導葉出口截面的壓力脈動強度影響較大,導葉出口壓力脈動強度整體低于導葉進口,壓力脈動強度沿輪轂向輪緣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當A由6 mm增大到26 mm時,導葉出口截面高壓力脈動強度區(qū)域面積先減小后增大,當A=16 mm時,高壓力脈動強度面積最小,而當A由26 mm增大到36 mm時,截面高壓力脈動強度面積變化較小。在A=6 mm時,截面高壓力脈動區(qū)域面積遠高于其他3種方案,在導葉流道出口處,壓力脈動強度出現(xiàn)了明顯的大梯度分布。

2.3.3 裝置中截面壓力脈動強度

圖11為S形軸伸式貫流泵裝置在設(shè)計工況下導葉體與出水流道S形彎管中截面上的壓力脈動強度分布,主要呈現(xiàn)出沿軸向壓力脈動強度的分布特征。由圖11可見,由于導葉與出水流道S形彎管對動壓的回收,壓力脈動強度沿導葉體至出水流道逐漸減小,并且由于軸伸式出水流道在S形彎管處形成流道凹凸使得流道兩側(cè)速度不均勻,彎管處壓力高脈動強度區(qū)域略微偏向流道外側(cè)。當A由6 mm增大到16 mm時,導葉體截面高壓力脈動強度區(qū)域由導葉輪緣向輪轂區(qū)域壓縮,最高壓力脈動強度由0.015降低到0.011,S形軸伸式貫流出水流道外側(cè)的相對高壓力脈動區(qū)域面積逐漸減小。當A由16 mm上升到36 mm時,導葉體截面高壓力脈動強度區(qū)域呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,截面最高壓力脈動強度數(shù)值變化不明顯,而出水流道S形彎管內(nèi)測的相對高壓力脈動強度區(qū)域逐漸變大并向外側(cè)以及導葉方向偏移。當A=16 mm時,截面整體壓力脈動強度分布為最佳。除了A=16 mm方案,其余3種方案在出水流道彎管處均出現(xiàn)了相對較大的高壓力脈動區(qū)域,主要是由于導葉葉輪之間相對距離較短時,二者之間的動靜干涉作用較強,而二者之間相對距離較遠時,主要是由于流動沖擊與流動分離造成壓力的劇烈波動。

圖11 出水結(jié)構(gòu)中截面壓力脈動強度對比

3 結(jié) 論

a. 當導葉相對距離為16 mm(0.053 3D)時,揚程效率均為最高。導葉相對距離對揚程影響比對效率的影響更明顯。

b. 導葉相對距離的變化對各監(jiān)測點的主頻頻率沒有影響而對各頻譜幅值影響較大。當導葉逐漸遠離葉輪時,在導葉進口,主頻壓力脈動幅值先減小后不變;在導葉出口,各監(jiān)測點幅值先減小后增大,并且當導葉相對距離增加到一定值后,導葉進出口的壓力脈動頻譜分布變化不明顯,此時,葉輪導葉之間的動靜干涉作用已不再是影響導葉體進出口壓力脈動的主要因素。

c. 在導葉進口位置處,高壓力脈動強度分布在近輪緣與近輪轂側(cè),導葉相對距離對近輪緣側(cè)壓力脈動強度分布的影響比對近輪轂側(cè)大;在導葉出口位置處,高壓力脈動主要分布在導葉流道處,斷面壓力脈動強度整體小于導葉進口斷面;在出水流道處,高壓力脈動強度區(qū)主要分布在流道中心區(qū)。

d. 綜合泵裝置的外特性與壓力脈動特性,當導葉相對距離為16 mm時泵裝置整體性能最佳。