陳建芳，施衛(wèi)東，張德勝，譚林偉

(1.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，常州 213164；3.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

單葉片離心泵具有良好的無堵塞和抗纏繞性能，非常適合用做輸送具有長纖維及大顆粒物質(zhì)的污水泵[1-2]。由于單葉片葉輪結(jié)構(gòu)的不對稱，在運(yùn)行過程中泵內(nèi)周期性不穩(wěn)定流動力，會使葉輪產(chǎn)生強(qiáng)大壓力脈動和徑向力，迫使葉輪發(fā)生徑向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動和噪聲，最終會導(dǎo)致機(jī)械和過流部件的損壞[3-4]。

Chu等[5]通過PDV(photonic Doppler velocimetry)測量得出蝸殼和葉輪的動靜干涉和葉輪出口不均勻出流引起的葉片脈動是泵產(chǎn)生振動和噪聲的重要原因，葉輪和隔舌之間的間隙對流動結(jié)構(gòu)和噪聲有顯著影響。Kaupert等[6]利用安裝在單個葉片通道內(nèi)的壓阻式壓力傳感器，采用遙測系統(tǒng)從旋轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)取樣，試驗(yàn)結(jié)果表明葉輪和蝸殼相互作用引起的壓力波動隨著體積流量的增大偏離最佳效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，并且越接近葉輪葉片后緣壓力波動越強(qiáng)烈。Spence等[7]通過數(shù)值計算方法提取了15個位置的壓力脈動數(shù)據(jù)，且數(shù)值計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在額定流量工況時吻合較好，通過分析泵內(nèi)不同位置的壓力脈動數(shù)據(jù)，對蝸殼上壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)的位置選擇提出了建議。Daly等[8]采用CFX軟件對單葉片離心泵內(nèi)瞬態(tài)壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，對于任意給定的葉輪位置，揚(yáng)程、徑向速度等都有非常顯著的變化。Al-Qutub等[9]研究了蝸殼與隔舌的徑向間隙和葉片出口形狀對泵壓力脈動的影響，結(jié)果表明適當(dāng)減小徑向間隙和葉片出口處采用V形切口可降低壓力脈動和振動水平。Wang等[10]采用試驗(yàn)方法研究了流量和轉(zhuǎn)速對雙吸離心泵壓力脈動的影響，結(jié)果表明流量和轉(zhuǎn)速對壓力脈動的影響非常顯著。王松林等[11-12]分析了非空化、空化時葉輪內(nèi)壓力脈動特性及產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明空化狀態(tài)下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動最大幅值大于非空化狀態(tài)，葉輪內(nèi)壓力脈動主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻，二次流是某處產(chǎn)生壓力脈動幅值大的原因，并且也是誘發(fā)強(qiáng)烈壓力脈動的原因。周佩劍等[13]研究發(fā)現(xiàn)單葉片離心泵在蝸殼第一斷面壓力脈動強(qiáng)度最低，第二斷面最高；在不同流量工況下，蝸殼內(nèi)出現(xiàn)隨葉輪旋轉(zhuǎn)呈周期性變化的二次流旋渦。黃光北等[14]分析了無導(dǎo)葉離心泵蝸殼內(nèi)低頻脈動的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)流線扭曲產(chǎn)生的漩渦是蝸殼出口段產(chǎn)生低頻脈動的根本原因。

由此可見，目前研究葉片進(jìn)口邊位置對單葉片離心泵壓力脈動影響的文獻(xiàn)很少，本文通過對6個葉片進(jìn)口邊位置的單葉片離心泵進(jìn)行非定常數(shù)值計算，通過分析單葉片離心泵各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動特性，最終獲得葉片進(jìn)口邊位置對泵壓力脈動的影響。

1 物理模型

本文研究的單葉片離心泵的額定流量Qd=20 m3/h，揚(yáng)程H=11 m，額定轉(zhuǎn)速n=2 940 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=132。其葉輪的主要設(shè)計參數(shù)，如表1所示。在葉輪其他水力參數(shù)均相同的情況下，設(shè)計了6種葉片進(jìn)口邊位置。圖1為葉輪的軸面投影圖，圖中線段AB、AC、AD、CE、CF和CG為不同的葉片進(jìn)口邊位置，后蓋板上點(diǎn)C的縱坐標(biāo)為點(diǎn)B和點(diǎn)D縱坐標(biāo)的平均值，進(jìn)口邊位置AB、AC和AD，即點(diǎn)B、點(diǎn)C和點(diǎn)D沿后蓋板向泵入口延伸；前蓋板上點(diǎn)A、點(diǎn)F的縱坐標(biāo)分別為點(diǎn)E和點(diǎn)F、點(diǎn)A和點(diǎn)G縱坐標(biāo)的平均值，進(jìn)口邊位置CE、CA、CF和CG，即點(diǎn)E、點(diǎn)A、點(diǎn)F和點(diǎn)G沿前蓋板向泵入口延伸。根據(jù)單葉片離心泵的設(shè)計參數(shù)，利用軟件ANSYS Bladegen和UG NX生成如圖2所示的葉輪實(shí)體模型。

表1 葉輪主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of impeller

圖1 葉輪軸面圖Fig.1 Axial plane of impeller

圖2 葉輪實(shí)體模型Fig.2 Solid model of impeller

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計算區(qū)域

圖3為單葉片離心泵全流場計算區(qū)域，由進(jìn)口段、前泵腔、葉輪、后泵腔、蝸殼及出口段六部分組成。為確保泵進(jìn)出口流動的穩(wěn)定性，使其流動更加接近真實(shí)流動狀態(tài)，分別對葉輪進(jìn)口和蝸殼出口進(jìn)行適當(dāng)延伸。

圖3 計算區(qū)域Fig.3 Computational domain

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

采用ICEM軟件對流體計算區(qū)域各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，蝸殼和葉輪采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖4為葉輪和前泵腔的網(wǎng)格，文中計算區(qū)域各部分的網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，同時對計算區(qū)域網(wǎng)格的無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。綜合考慮計算時間和數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，最終選擇方案d用于數(shù)值計算中。

(a)葉輪

表2 網(wǎng)格無關(guān)性分析Tab.2 Analysis of grid independency

采用ANSYS CFX軟件對首先對所有方案進(jìn)行定常數(shù)值計算，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壁面采用粗糙度為50 μm無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用Scalable壁面函數(shù)處理，邊界條件采用總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口，進(jìn)口湍動度為5%。非定常數(shù)值計算以定常數(shù)值計算結(jié)果作為初始流場，以葉輪每轉(zhuǎn)動3°所耗費(fèi)的時間為計算步長，即時間步長為0.000 170 1 s，總時間為葉輪旋轉(zhuǎn)10周所用的時間，提取計算更穩(wěn)定的后5個周期的數(shù)據(jù)作為非定常計算的結(jié)果。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)的布置

為揭示單葉片離心泵在額定工況下的壓力脈動特性，在泵中截面上布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的分布,如圖5所示。在蝸殼壁面上均勻布置8個監(jiān)測點(diǎn)V1～V8，監(jiān)測點(diǎn)的位置與蝸殼水力圖中各斷面位置一致同時在隔舌附近布置監(jiān)測點(diǎn)gs。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)位置Fig.5 Monitoring point location

2.4 外特性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

在圖6所示的試驗(yàn)臺上進(jìn)行了外特性試驗(yàn)。試驗(yàn)葉輪根據(jù)葉片進(jìn)口邊在AD時的幾何參數(shù)制作而成。由圖1可知，AD處于進(jìn)口邊沿后蓋板延伸量最大的位置。為圖7為葉輪的外特性曲線圖。其中HEX和ηEX分別為葉輪揚(yáng)程和效率的試驗(yàn)值。由圖7可知，數(shù)值計算值HAD和HEX、數(shù)值計算值ηAD和ηEX存在一定誤差。計算發(fā)現(xiàn)除28 m3/h工況下的揚(yáng)程誤差10.5%稍大外，其余工況下?lián)P程的數(shù)值計算值和試驗(yàn)值的最大誤差為6.6%；效率的數(shù)值計算值和試驗(yàn)值的最大誤差為7.8%。因此可認(rèn)為數(shù)值計算方案具有較高的準(zhǔn)確性。

(a)試驗(yàn)葉輪

當(dāng)葉片進(jìn)口邊由AB沿后蓋板延伸至AC時，揚(yáng)程、效率增大的范圍分別為0.60～1.61 m，2.99%～5.23%；而由AC延伸至AD時，揚(yáng)程、效率的增大范圍為-0.02～0.74 m，-0.92%～0.78%。當(dāng)葉片進(jìn)口邊由CE沿前蓋板依次延伸至AC、CF和CG時，揚(yáng)程增大的范圍分別為0.11～0.70 m、0.13～0.69 m、-0.78～0.35 m；效率增大的范圍分別為-0.5%～2.01%、-1.73%～1.67%、-4.08%～1.07%。因此不論葉片進(jìn)口邊沿后蓋板還是前蓋板向泵入口延伸，延伸過多，某些工況下?lián)P程和效率會降低。原因?yàn)檫M(jìn)口邊適當(dāng)延伸后，葉片的面積增大，對流體控制能力增強(qiáng)，增加做功能力，但是延伸過多，易造成流道堵塞，影響泵的性能。

(a)沿后蓋板延伸及試驗(yàn)值

3 壓力脈動模擬計算結(jié)果分析

3.1 進(jìn)口邊沿后蓋板延伸時蝸殼內(nèi)壓力脈動分析

由于流體的黏性作用以及旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的之間動靜干擾，使得離心泵內(nèi)流場呈現(xiàn)非定常的流動特征[15]。壓力脈動特性通常用壓力脈動系數(shù)[16]表征，壓力脈動系數(shù)為

圖8為葉輪AB、AC和AD在額定工況下，蝸殼壁面8個監(jiān)測點(diǎn)的時域圖。從圖8可以看出，蝸殼壁面上各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動均表現(xiàn)出明顯的周期性，一個周期內(nèi)出現(xiàn)一個波峰和一個波谷。沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向，不同位置的監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動存在相位差。監(jiān)測點(diǎn)V1和V2距離隔舌較近，兩點(diǎn)的壓力脈動曲線與其他點(diǎn)有明顯差別，存在明顯的二次波峰。監(jiān)測點(diǎn)V2、V3、V4的脈動幅值變化突然，而監(jiān)測點(diǎn)V5、V6、V7、V8的脈動幅值變化相對平緩。隨著葉片進(jìn)口邊沿后蓋板向泵入口延伸量的增加，泵內(nèi)隨機(jī)壓力脈動有所下降，但壓力脈動系數(shù)的幅值在增加。離心泵內(nèi)壓力脈動主要是由于螺旋線型蝸殼的幾何不對稱以及旋轉(zhuǎn)的葉輪與靜止的蝸殼之間的動靜干涉引起的，而液流繞流葉片后，葉輪出口易形成射流尾跡，葉片尾跡渦脫落后又與下游結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，形成復(fù)雜的多重尺寸渦結(jié)構(gòu)[17]。泵內(nèi)產(chǎn)生的周期性壓力脈動主要是由動靜干涉引起，其中勢流干涉是由葉輪和蝸殼相對運(yùn)動引起，而壓力脈動的二次波峰可認(rèn)為是由尾跡干涉引起[18]。葉輪AD蝸殼各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動周期性更為明顯，因此葉輪AD受勢流干涉影響較大。3個葉輪中距離隔舌最近的監(jiān)測點(diǎn)V1和V2受尾跡干涉作用較明顯，出現(xiàn)了二次波峰。

(a)葉輪AB

壓力脈動的數(shù)據(jù)分析方法采集的時域信號為原始信號，要經(jīng)過傅里葉變換把時域信號變換成頻域信號。圖9為葉輪AB、AC和AD在額定工況下，蝸殼壁面8個監(jiān)測點(diǎn)的頻域圖。分析各頻域圖發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閱稳~片離心泵的葉頻與轉(zhuǎn)頻相同，3個葉輪的各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動幅值均在葉頻及其諧頻處出現(xiàn)較大值，但是在葉頻處的壓力脈動幅值最大，即蝸殼內(nèi)壓力脈動的主頻是葉頻。壓力脈動最大幅值出現(xiàn)在沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向隔舌的下游區(qū)域，葉輪AB、葉輪AC和葉輪AD最高幅值分別出現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)V6處，是因?yàn)榇颂幊霈F(xiàn)了較強(qiáng)的二次旋渦。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)雖然3個葉輪中均在監(jiān)測點(diǎn)V1和V2處出現(xiàn)了高頻信號，但是監(jiān)測點(diǎn)V1和V2的主頻壓力脈動幅值要低于其余監(jiān)測點(diǎn)，原因可能是為靠近隔舌的地方受葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的射流尾跡影響較大，導(dǎo)致旋渦的產(chǎn)生及脫落進(jìn)而產(chǎn)生了較強(qiáng)的高頻率信號。各監(jiān)測點(diǎn)的主頻幅值基本遵循葉片進(jìn)口邊沿后蓋板向泵入口延伸的越多，壓力脈動主頻幅值越大的變化規(guī)律。

(a)葉輪AB

3.2 進(jìn)口邊沿前蓋板延伸時蝸殼內(nèi)壓力脈動分析

葉輪CE、AC、CF和CG的葉片進(jìn)口邊沿前蓋板向泵入口延伸，4個葉輪的蝸殼壁面監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動隨時間變化規(guī)律與沿后蓋板變化規(guī)律相似，隨著延伸量的增加，壓力脈動系數(shù)的幅值增加，蝸殼內(nèi)隨機(jī)脈動成分的強(qiáng)弱依次為葉輪AC、葉輪CE、葉輪CG和葉輪CF，說明延伸適當(dāng)可降低射流尾跡對壓力脈動的影響。

圖10為葉輪CE、CF和CG額定工況下，蝸殼壁面8個監(jiān)測點(diǎn)的頻域圖。分析葉輪CE、葉輪AC、葉輪CF和葉輪CG的頻域圖發(fā)現(xiàn)，雖然4個葉輪的監(jiān)測點(diǎn)V1和V2的主頻壓力脈動幅值要低于其余監(jiān)測點(diǎn)，其蝸殼壁面上各監(jiān)測點(diǎn)的幅值基本遵循葉片進(jìn)口邊沿前蓋板向泵入口延伸的越多，壓力脈動幅值越大的變化規(guī)律。

(a)葉輪CE

3.3 葉片進(jìn)口邊沿前蓋板和后蓋板同時延伸時蝸殼內(nèi)壓力脈動分析

葉片進(jìn)口邊AB、CG與泵軸線平行，當(dāng)進(jìn)口邊位置由AB延伸至CF、CG時，分析時域圖和頻域圖發(fā)現(xiàn)，除監(jiān)測點(diǎn)V1、V2和V3外，其余監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動系數(shù)的幅值明顯增大，壓力脈動周期性變化更為明顯，蝸殼內(nèi)隨機(jī)壓力脈動降低，壓力脈動變化突然；葉片進(jìn)口邊延伸后，壓力脈動的主頻仍為葉頻，但是主頻脈動幅值顯著增大。

比較葉片進(jìn)口邊分別在CE和AD位置時壓力脈動時域圖和頻域圖發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口邊延伸后時域圖的壓力脈動系數(shù)幅值增加，隨機(jī)脈動降低，部分監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)二次波峰，各監(jiān)測點(diǎn)的主頻脈動幅值顯著增大。

葉片進(jìn)口邊向泵入口延伸后，葉片扭曲程度加強(qiáng)，做功能力增強(qiáng)，傳遞給流體的能量增多，壓力增大，脈動幅度增強(qiáng)。葉片進(jìn)口邊延伸量少，易在葉輪出口處產(chǎn)生較強(qiáng)的射流尾跡，同樣引起較大幅度的壓力脈動。

3.4 隔舌處的壓力脈動時域和頻域分析

圖11(a)為葉片進(jìn)口邊沿后蓋板向泵入口延伸時，隔舌處監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動時域圖和頻域圖。由時域圖可知，葉輪AB和葉輪AC隨機(jī)壓力脈動明顯，說明受葉輪出口射流與隔舌碰撞產(chǎn)生的旋渦、脫流影響顯著。由頻域圖可知，3個葉輪壓力脈動主頻為葉頻，均存在低頻信號和高頻信號。葉輪AD的主頻和2倍主頻壓力脈動幅值最大，葉輪AC的主頻壓力脈動幅值最小，說明進(jìn)口邊沿后蓋板向泵入口延伸對隔舌處的壓力脈動影響顯著，葉片進(jìn)口邊適當(dāng)延伸可降低隔舌處的主頻壓力脈動。

圖11(b)為葉片進(jìn)口邊沿前蓋板向泵入口延伸時，隔舌處監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動時域圖和頻域圖。由時域圖可知，葉輪AC受葉輪出口射流與隔舌碰撞產(chǎn)生的旋渦、脫流影響顯著。由頻域圖可知，4個葉輪壓力脈動主頻為葉頻，存在低頻壓力脈動和高頻壓力脈動。主頻壓力幅值由大到小的順序?yàn)槿~輪CG、CF、CE和AC。說明葉片進(jìn)口邊沿前蓋板延伸對壓力脈動影響顯著，延伸量適當(dāng)可降低隔舌處的主頻壓力脈動。

隔舌處監(jiān)測點(diǎn)與其他監(jiān)測點(diǎn)不同的是，除存在寬頻信號外，還存在低于葉頻的低頻信號，這是由于隔舌附近流線扭曲而產(chǎn)生的旋渦，進(jìn)一步導(dǎo)致了蝸殼內(nèi)低頻壓力脈動的產(chǎn)生。

4 模擬計算結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

通過在蝸殼壁面上開螺紋孔，采用高頻壓力傳感器，測試單葉片離心泵的壓力脈動特性。壓力傳感器的采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz，每個工況采樣時間為30 s。蝸殼壁面監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動傳感器的安裝,如圖6所示，圖中蝸殼壁面的4個監(jiān)測點(diǎn)S1、S2、S3和S4與壓力脈動數(shù)值計算監(jiān)測點(diǎn)V7、V8、V2和V3一一對應(yīng)。將額定工況下葉輪AD的數(shù)值計算結(jié)果與其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行如圖12所示的對比。由圖12可知，數(shù)值計算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大，原因是：泵內(nèi)流體流動復(fù)雜，數(shù)值模擬對一些復(fù)雜流動特性不能完全捕捉；試驗(yàn)葉輪的葉片應(yīng)為扭曲葉片，但限于加工精度，和設(shè)計結(jié)構(gòu)有差別；數(shù)值模擬和試驗(yàn)均存在誤差。圖中監(jiān)測點(diǎn)S1和S3處壓力脈動系數(shù)的試驗(yàn)值和模擬值相差較小，兩條曲線的變化趨勢基本相吻合，而S2和S4處壓力脈動系數(shù)的試驗(yàn)值和模擬值相差稍大，但兩條曲線變化趨勢較吻合。因此，文中的壓力脈動數(shù)值模擬結(jié)果對設(shè)計單葉片離心泵和預(yù)測泵內(nèi)的壓力脈動特性有一定的指導(dǎo)作用。

圖12 數(shù)值模擬與試驗(yàn)壓力脈動對比圖Fig.12 Comparison of numerical simulation and test pressure fluctuation

(a)葉片進(jìn)口邊沿后蓋板向泵入口延伸

5 結(jié) 論

(1)葉片進(jìn)口邊沿后蓋板或前蓋板向泵入口適當(dāng)延伸，可提高泵的揚(yáng)程和效率，延伸過多，某些工況下?lián)P程和效率會降低。

(2)葉片進(jìn)口邊沿后蓋板或前蓋板向泵入口延伸，隨著延伸量的增加，除隔舌附近外蝸殼內(nèi)壓力隨機(jī)脈動大致呈降低趨勢，壓力脈動系數(shù)的幅值明顯增大，壓力脈動主頻幅值顯著增大，壓力脈動周期性特征增強(qiáng)。蝸殼和葉輪間的動靜干涉引起的壓力脈動增強(qiáng)，射流尾跡引起的壓力脈動降低。

(3)葉片進(jìn)口邊沿后蓋板或前蓋板向泵入口延伸，隔舌處壓力脈動系數(shù)的幅值先減小后增大，主頻壓力脈動的幅值向減小后越大，適當(dāng)前伸可以降低隔舌處的壓力脈動。

(4)部分監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動系數(shù)的模擬值和試驗(yàn)值相比壓力偏大，但是變化趨勢相吻合。