胡江，康燦*，邢志龍，張文斌

(1. 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013; 2. 山東良成環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆綎| 淄博 255095; 3. 中國船舶集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031)

凝水泵是核電、海工、火電系統(tǒng)中的重要輔助裝備，其能量性能、汽蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著重要影響[1-2].進(jìn)入凝水泵的凝結(jié)水中往往含有大量氣體，增加了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn).汽蝕一旦發(fā)生，將對(duì)泵內(nèi)正常流動(dòng)造成影響，進(jìn)而威脅泵的做功能力與過流能力.以往對(duì)凝水泵的研究集中于汽蝕性，通過改進(jìn)過流部件幾何形狀提高其抗汽蝕能力，其中采用長短葉片結(jié)構(gòu)被證實(shí)能夠明顯降低泵的必需汽蝕余量[3].凝水泵與其下游裝備之間通過管道及附件進(jìn)行連接，泵出口的壓力脈動(dòng)可能對(duì)下游裝備產(chǎn)生影響.研究凝水泵及出口管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性對(duì)下游裝備及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義.

對(duì)于凝水泵內(nèi)的流動(dòng)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法能夠?qū)Ρ脙?nèi)非定常流動(dòng)、汽蝕、壓力脈動(dòng)等進(jìn)行分析.高波等[4]研究了葉輪-泵殼動(dòng)靜干涉引起的旋渦對(duì)泵內(nèi)流場壓力脈動(dòng)的影響.WANG等[5]通過數(shù)值模擬方法探究了軟管泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理.KANG等[6]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)泵汽蝕的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出了改善泵抗汽蝕性能的過流部件結(jié)構(gòu)方案.

采用長短葉片結(jié)構(gòu)是減緩泵進(jìn)口排擠、改善泵內(nèi)流動(dòng)的一種有效方法.張金鳳等[7]對(duì)采用長短葉片結(jié)構(gòu)的離心泵進(jìn)行粒子圖像測速(PIV)試驗(yàn)，分析了泵內(nèi)的渦量分布、壓力脈動(dòng)特性以及動(dòng)靜干涉機(jī)理，認(rèn)為長短葉片結(jié)構(gòu)可有效抑制額定流量工況下泵內(nèi)的動(dòng)靜干涉.SHIGEMITSU等[8]采用長短葉片對(duì)微型離心泵進(jìn)行了流動(dòng)和性能分析.

對(duì)于泵流道內(nèi)壓力脈動(dòng)的測量，以往多采用在流道壁面開孔、埋入壓力傳感器的方法，測量得到的是貼近壁面流層內(nèi)的壓力脈動(dòng).采用探針測量，將干擾流場，也無法獲得準(zhǔn)確的壓力脈動(dòng)值.相比較而言，采用數(shù)值模擬的方法能夠獲得泵及管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而描述非定常流動(dòng)特征[9-10].

為探討凝水泵出口管內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性及傳播規(guī)律，文中采用2種長短葉片結(jié)構(gòu)的葉輪，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)在不同流量工況下某凝水泵及出口管內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析，為采用長短葉片結(jié)構(gòu)的凝水泵優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高下游裝備運(yùn)行穩(wěn)定性提供一定的理論參考.

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

以某一凝水泵為研究對(duì)象，該泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=227 m3/h，揚(yáng)程H=34 m，轉(zhuǎn)速n=1 250 r/min.采用三維造型軟件Siemens NX對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)計(jì)算域進(jìn)行建模，如圖1所示.流動(dòng)計(jì)算域由進(jìn)口管、葉輪、徑向?qū)~、環(huán)形壓水室、出口管組成，液體由進(jìn)水管流入，經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功后依次流入徑向?qū)~流道和環(huán)形殼體內(nèi)流道，最后經(jīng)出口段流出.

圖1 凝水泵計(jì)算域模型

凝水泵葉輪葉片由長葉片和短葉片組成，長葉片與短葉片的數(shù)量相同，不僅緩解葉輪進(jìn)口的排擠，而且可以阻止葉輪內(nèi)二次流的產(chǎn)生.數(shù)值模擬中，葉輪分別采用5長5短葉片和3長3短葉片組合結(jié)構(gòu)，2種葉輪的內(nèi)外徑均為240 mm和390 mm，如圖2所示.

圖2 2種葉輪的三維模型

對(duì)于5長5短葉片組合葉輪，短葉片進(jìn)口邊相對(duì)于長葉片向出口方向偏移24°，短葉片工作面出口邊與長葉片背面出口邊在圓周方向的夾角為36°.對(duì)于3長3短葉片葉輪，短葉片進(jìn)口邊與長葉片的進(jìn)口邊同軸面，且在圓周方向，短葉片出口邊與相鄰兩枚長葉片出口邊的夾角相等.

1.2 網(wǎng)格劃分及其無關(guān)性驗(yàn)證

將建立的2種模型導(dǎo)入ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中流體域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)葉輪葉片及導(dǎo)葉近壁區(qū)網(wǎng)格加密處理.設(shè)計(jì)6種網(wǎng)格數(shù)方案，以揚(yáng)程偏差eH和效率偏差eη為判斷指標(biāo)，對(duì)5長5短葉片模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由圖3可以看出，當(dāng)總網(wǎng)格數(shù)增大至800萬時(shí)，揚(yáng)程與效率的偏差較小.綜合考慮計(jì)算耗時(shí)及計(jì)算及配置，最終選擇網(wǎng)格數(shù)約為832萬的方案進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算.對(duì)于3長3短葉片模型，最終選擇的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為730萬.

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

將凝水泵內(nèi)的流體視為不可壓縮連續(xù)介質(zhì)，流動(dòng)為湍流流動(dòng)，其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程[11].數(shù)值模擬中不考慮溫度變化的影響，為使控制方程封閉，采用雷諾平均渦黏湍流兩方程模型中的RNGk-ε湍流模型.擴(kuò)散項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，速度壓力耦合求解采用SIMPLE算法[12].

1.4 邊界條件設(shè)置

葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為1 250 r/min.壓水室區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系.計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置速度進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力邊界條件，各壁面均為標(biāo)準(zhǔn)無滑移條件.定義大氣壓為參考?jí)毫?計(jì)算收斂精度設(shè)為10-5.計(jì)算選取0.2Qd，0.6Qd，1.0Qd和1.4Qd共4種流量工況.取葉輪每旋轉(zhuǎn)3°為一個(gè)時(shí)間步.在非定常計(jì)算過程中，選取出口管及其延伸段作為監(jiān)測段，在凝水泵出口直管內(nèi)，分別選取泵出口法蘭處、距出口法蘭4d(d為出口管直徑)處、距出口法蘭8d處3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)均位于出口管軸心線上，如圖4所示.

圖4 泵出口管內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)分布

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值計(jì)算方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，對(duì)泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)對(duì)比.試驗(yàn)在中國機(jī)械工業(yè)離心泵重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所采用的凝水泵試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示.

圖5 凝水泵試驗(yàn)臺(tái)

凝水泵試驗(yàn)臺(tái)為一閉式回路，對(duì)原試驗(yàn)臺(tái)的管路進(jìn)行調(diào)整，以滿足凝水泵的安裝要求.該試驗(yàn)臺(tái)的儀器、測試精度、介質(zhì)等均符合GB/T 3216—2016標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)精度要求.

圖6為采用5長5短葉片結(jié)構(gòu)的凝水泵試驗(yàn)和定常數(shù)值模擬獲得的特征流量工況點(diǎn)的揚(yáng)程與效率對(duì)比，可以看出，整體上，試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的趨勢一致，且數(shù)值之間偏差較小，最大偏差小于5%.這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

圖6 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2 壓力分布與外特性對(duì)比

圖7為設(shè)計(jì)工況下2種葉片結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的泵流道內(nèi)壓力分布，可以看出：對(duì)于采用3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵，長葉片進(jìn)口處存在低壓區(qū)，該處流動(dòng)空間大，短葉片還未對(duì)流體做功，因此易產(chǎn)生汽蝕，可能會(huì)對(duì)泵穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響；相比較，采用5長5短葉片結(jié)構(gòu)的葉輪進(jìn)口處壓力較高，流道內(nèi)流動(dòng)較為均勻，不規(guī)則流動(dòng)結(jié)構(gòu)較少，泵的做功能力較強(qiáng)；由于該凝水泵蝸殼為環(huán)形蝸殼結(jié)構(gòu)，蝸殼至出口管段區(qū)域出現(xiàn)小面積的低壓區(qū)，葉輪流道內(nèi)的壓力梯度明顯.

圖7 泵流道內(nèi)壓力分布

圖8為試驗(yàn)得到的5長5短葉片結(jié)構(gòu)和3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵揚(yáng)程與效率對(duì)比，可以看出：5長5短葉片結(jié)構(gòu)的泵揚(yáng)程和效率在各個(gè)流量工況條件下均高于3長3短葉片結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)值；在大流量工況1.4Qd下，2種葉片結(jié)構(gòu)的泵揚(yáng)程均明顯減小；在額定流量工況1.0Qd下，3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵揚(yáng)程偏低，在實(shí)際運(yùn)行中需要通過提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大揚(yáng)程；根據(jù)高效區(qū)寬度，3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵更適合于在偏小流量工況下運(yùn)行.

圖8 2種葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)泵的外特性對(duì)比

3 泵出口管內(nèi)的壓力脈動(dòng)

泵內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一定程度上影響泵出口管內(nèi)的壓力脈動(dòng)[13].在非定常計(jì)算中，對(duì)出口管3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)測量.選取第10個(gè)周期內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，采用快速傅里葉變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)[14].圖9為采用5長5短葉片和3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管在不同流量工況下壓力脈動(dòng)幅值pA隨頻率f的變化.

圖9 不同流量工況下泵出口管內(nèi)壓力脈動(dòng)頻域特征

由圖9可以看出：2種葉輪結(jié)構(gòu)的泵出口管壓力脈動(dòng)的特征頻率均集中在1 000 Hz低頻段內(nèi)；在不同流量工況下，沿流動(dòng)方向，自監(jiān)測點(diǎn)P1至P3，壓力脈動(dòng)逐漸衰減，5長5短葉片的監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的主導(dǎo)頻率為葉頻fBPF(208 Hz)及其倍頻；在小流量工況下，流動(dòng)相對(duì)不穩(wěn)定，故低頻段內(nèi)出現(xiàn)不同幅值的特征頻率[15]；隨著流量增大，5長5短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管壓力脈動(dòng)幅值先減小后增大，在額定流量工況下達(dá)到最低，在1.4Qd流量工況下達(dá)到最高.

3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)壓力脈動(dòng)特征頻率亦為葉頻fBPF(125 Hz)及其倍頻，不同流量工況條件下的壓力脈動(dòng)較5長5短葉片結(jié)構(gòu)更劇烈，且隨流動(dòng)向下游發(fā)展而減弱.在0.6Qd流量工況下，壓力脈動(dòng)幅值最低，這與5長5短葉片結(jié)構(gòu)不同，而與最佳運(yùn)行點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況有關(guān).在0.2Qd流量工況下，壓力脈動(dòng)幅值較高.隨著流量增大到1.4Qd，3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)高頻脈動(dòng)信號(hào)被激發(fā)，偏大流量工況運(yùn)行導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)激勵(lì)加劇，壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較高，各監(jiān)測點(diǎn)的主頻保持為葉頻fBPF及其倍頻.

將3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值最大值隨流量的變化進(jìn)行比較，如圖10所示.

圖10 不同流量工況下2種葉輪結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)最高壓力脈動(dòng)幅值比較

由圖10可以看出：5長5短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值最大值隨流量的變化較為平緩，在偏離設(shè)計(jì)流量工況下，壓力脈動(dòng)較強(qiáng)，在1.4Qd工況下壓力脈動(dòng)最強(qiáng)； 3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)整體壓力脈動(dòng)幅值的極值較大，在1.4Qd工況下壓力脈動(dòng)也最強(qiáng).

綜合圖9與圖10可以判斷，5長5短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)壓力脈動(dòng)整體表現(xiàn)較好.此外，長短葉片結(jié)構(gòu)不僅影響葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，并且影響泵出口管內(nèi)的流動(dòng).

為了更好地比較不同位置以及不同工況下的壓力脈動(dòng)整體變化特性，引入0～1 000 Hz頻段的均方根壓力脈動(dòng)幅值pRMS，如圖11所示.

圖11 不同葉片結(jié)構(gòu)的出口管內(nèi)均方根壓力脈動(dòng)幅值比較

由圖11可以看出：對(duì)于3長3短葉片結(jié)構(gòu)，各監(jiān)測點(diǎn)的均方根壓力脈動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于5長5短葉片結(jié)構(gòu)；在不同流量工況下，5長5短葉片結(jié)構(gòu)的不同監(jiān)測點(diǎn)的均方根壓力脈動(dòng)幅值分布較平穩(wěn)，而3長3短葉片結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測點(diǎn)間的均方根壓力脈動(dòng)幅值偏差較明顯；在1.4Qd工況，2種葉片結(jié)構(gòu)的均方根壓力脈動(dòng)幅值均達(dá)到最大，而3長3短葉片結(jié)構(gòu)均方根的壓力脈動(dòng)幅值最小值出現(xiàn)在0.6Qd工況，這與5長5短葉片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在1.0Qd工況不同.

4 結(jié) 論

1) 長短葉片結(jié)構(gòu)與壓力脈動(dòng)的特征頻率和均方根壓力脈動(dòng)幅值有強(qiáng)相關(guān)性，3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口壓力脈動(dòng)更明顯，變化更復(fù)雜.

2) 泵出口管內(nèi)壓力脈動(dòng)整體上隨著距葉輪距離增大而減弱，且位于泵出口法蘭處的監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)低頻脈動(dòng)，3長3短葉片結(jié)構(gòu)在1.4Qd工況下出現(xiàn)高頻壓力脈動(dòng).

3) 在不同流量工況下，5長5短葉片結(jié)構(gòu)比3長3短葉片結(jié)構(gòu)的泵出口管內(nèi)整體壓力脈動(dòng)幅值較低.對(duì)于同一葉片結(jié)構(gòu)，壓力脈動(dòng)幅值隨流量而變化.