多級離心泵流場優(yōu)化及驗證

張權(quán)，周盼，率志君，李玩幽

（哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

離心泵在船舶與海洋工程中應用廣泛，提高其設計效率、降低其運行振動和噪聲，對綠色船舶設計具有很大的現(xiàn)實意義。

流體激勵力是離心泵主要振源之一，通過泵殼及軸承向外傳遞[1]，研究其對機腳振動影響對減振降噪來說尤為重要。國內(nèi)外對流體產(chǎn)生的振動已經(jīng)進行了一定研究，主要有實驗[2]和數(shù)值模擬[3―5]兩種方法，倪永燕對離心泵流體誘導振動進行了詳細的總結(jié)[6]；Gonzalez[7―9]利用CFD技術(shù)對離心泵整機流場進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，討論了蝸殼蝸舌附近由于動靜干擾引起的壓力脈動，且與實驗值進行了對比，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行流場優(yōu)化，運用RNGk-ε湍流模型計算優(yōu)化前后的壓力脈動和流體激勵力以考察流場優(yōu)化效果，最后測試離心泵的機腳響應變化來間接驗證優(yōu)化效果。

1 計算區(qū)域及方法

1.1 計算區(qū)域及網(wǎng)絡

額定工況下，泵的運行參數(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)流道非常復雜，因此采用適應性非常強的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。葉輪的幾何形狀及其中的流體流動非常復雜，而且是運動部件，因此葉輪葉片表面需要做較細致的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)對數(shù)值計算結(jié)果的準確性和所要求的計算資源影響非常大，因此選擇出口壓力進行網(wǎng)格靈敏度分析。

圖1 網(wǎng)格數(shù)對出口壓力預測的影響

圖1為網(wǎng)格數(shù)變化對出口壓力預測的影響。從中可以發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)為2 011 334（圖中虛線所示）、節(jié)點數(shù)數(shù)為546 160時，出口壓力預測結(jié)果準確，并且計算用時比較合理，因此選擇這個網(wǎng)格數(shù)進行數(shù)值計算。計算網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 計算網(wǎng)格模型

1.2 計算方法

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

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

泵的進口處采用速度進口邊界條件，假定進口處速度均勻并垂直于進口斷面，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，認為出口靜壓值不變。

2 計算結(jié)果及分析

通過上述計算方法對計算模型進行了流場計算，在此基礎上對原模型進行流場優(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[10]。在流量和揚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)速計算公式?jīng)Q定

其中n——轉(zhuǎn)速，Q——流量，H——揚程，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)系沒有相應的文獻可供參考。本文通過仿真計算切割葉輪后離心泵的流量，給定進口速度邊界條件，計算出口流量為23.5 m3/h。而對于該泵當流量處于23.38 m3/h～24.72 m3/h時，均滿足使用要求。因此，切割葉輪后流量仍能達到使用要求，不影響泵的性能。為了確定揚程變化情況，切割葉輪前后保證進口壓力不變計算出口壓力，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)測點壓力脈動對比

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

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

圖4 葉輪流道中間截面壓力脈動監(jiān)測點

圖5 蝸殼區(qū)域壓力脈動監(jiān)測點

圖6 各監(jiān)測點結(jié)果對比

圖6中實線譜為切割葉輪前監(jiān)測點壓力脈動，虛線譜為切割葉輪后監(jiān)測點壓力脈動。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有一定的改善效果。

2.1.2 葉輪切割前后流場激勵力對比

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力進行對比，對比結(jié)果如圖7所示。

圖中實譜線為原模型流場激勵力，虛譜線為切割葉輪后流場激勵力。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力有明顯的減小，可見切割葉輪不但使得壓力脈動情況有所改善，葉輪受力也有一定減小。但是流場優(yōu)化對機腳振動的影響需要進一步進行實驗驗證，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最佳的隔舌與葉輪間距，因為間距太小，流體流過隔舌與葉輪外徑的間隙時，就會產(chǎn)生較強的壓力脈動。若間距過大，盡管流體對隔舌的沖擊情況會有所改善，但卻會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，同時還會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，壓力脈動增大。

采取階梯隔舌，便可使兩個隔舌各司其職，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)測點壓力脈動對比

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較大的點a1、a4、d1和d2進行對比，優(yōu)化前后監(jiān)測點壓力脈動對比如圖9所示。

圖9中實線譜為原模型前監(jiān)測點壓力脈動，虛線譜為采用階梯隔舌監(jiān)測點壓力脈動。從圖中可以看出監(jiān)測點a1效果比較好，而監(jiān)測點a4壓力脈動雖然小幅降低，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a4則距離隔舌區(qū)較遠，改善效果不是很明顯。而監(jiān)測點d1和d2都靠近隔舌區(qū)，從圖9可以看出監(jiān)測點d1和d2改善效果都比較理想。總體來看階梯隔舌對整體流場的壓力脈動有很明顯的改善效果。

2.2.2 優(yōu)化隔舌前后流場激勵力對比

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

圖中實譜線為原模型流場激勵力，虛譜線為采用階梯隔舌后葉輪的流場激勵力。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。可見階梯隔舌對流場也有一定改善效果。

3 優(yōu)化效果驗證

階梯隔舌工藝上難于實現(xiàn)，因此實際工程中采用切割葉輪的優(yōu)化方法。為驗證仿真結(jié)果，下面進行實驗驗證。

由于實際測試條件限制，壓力脈動、流場激勵力測試困難，難于實現(xiàn)。切割葉輪能有效改善壓力脈動和流場激勵，即多級離心泵的激勵源發(fā)生了變化，機腳響應會發(fā)生相應改變，因此測試切割葉輪前后離心泵的機腳響應來間接驗證優(yōu)化效果。離心泵機腳考核點布置圖如圖11所示。優(yōu)化前后各考核點的加速度響應對比如圖12所示。

圖9 各監(jiān)測點壓力脈動對比

表2 響應對比

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，從壓力脈動及葉輪受力兩個方面對優(yōu)化效果進行對比，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點壓力脈動有所降低，并且葉輪受力也有所減??；

(2)通過測試機腳響應的變化對優(yōu)化效果進行間接實驗驗證，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 考核點響應

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