離心泵葉輪非定常入流及激勵特性研究現(xiàn)狀

劉凱

摘要：指出了離心泵葉輪的非定常入流特性對其流動誘發(fā)壓力脈動、振動特性影響顯著。對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，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；激勵特性；研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TH311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，泵的振動噪聲成為目前研究的熱點(diǎn)問題，也是設(shè)計過程中面臨的難點(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，低振動噪聲特性是泵首要設(shè)計要求，其振動噪聲能量級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)雜的流動結(jié)構(gòu)，包括口環(huán)間隙泄漏流、回流、二次流等，其將對主流產(chǎn)生明顯影響，進(jìn)而將對泵內(nèi)流動誘發(fā)的壓力脈動、振動特性產(chǎn)生影響。因此，離心泵葉輪非定常流動特性的研究具有顯著的學(xué)術(shù)及工程價值。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 口環(huán)泄漏流動的研究

口環(huán)間隙泄漏流是葉輪進(jìn)口關(guān)鍵的流場結(jié)構(gòu)。潘中永等 [1]通過數(shù)值模擬和試驗，研究了葉輪口環(huán)間隙對離心泵性能的影響，設(shè)計了包含前后泵腔在內(nèi)的全流場模型，基于RNG k-ε湍流模型，建立了3種口環(huán)方案，從湍動能、渦量和徑向力角度，分析了口環(huán)間隙對離心泵全流場水力效率和機(jī)械效率的影響。張金鳳 等[2]基于在小流量工況下運(yùn)行時離心泵葉輪進(jìn)口會產(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軟件對不同工況下低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)口處的三維湍流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了流場內(nèi)的速度分布。周嶺 等[3]針對典型的150QJ20型深井離心泵，設(shè)計了3種不同進(jìn)口邊位置的葉輪。對不同進(jìn)口邊位置的葉輪出口斷面的壓力場、湍流場和速度場進(jìn)行了比較，并結(jié)合試驗分析了進(jìn)口邊位置對深井離心泵水力性能的影響。牟介剛 等[4]通過對農(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，以及渦流制動器對轉(zhuǎn)子水力特性的影響。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明渦流制動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，研究了其對泵的影響，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)子動力特性穩(wěn)定性和離心泵性能的動靜干涉問題。重點(diǎn)研究了離心泵轉(zhuǎn)動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固壁的激勵特性，沒有將流動特性與壓力脈動和振動特性進(jìn)行聯(lián)系。

2.2 離心泵進(jìn)口區(qū)域流動的研究

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軟件對不同工況下低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)口處的三維湍流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過在進(jìn)口流場中設(shè)置大量監(jiān)測點(diǎn)，采集速度變化數(shù)據(jù)，對回流發(fā)生和發(fā)展過程中進(jìn)口處的回流旋渦形態(tài)和流場速度分布進(jìn)行了分析。朱榮生[11] 針對某低比轉(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)對雙吸泵及吸水室內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并提出定點(diǎn)速度值分析法，模擬流場測試試驗中采用的動態(tài)探針采樣測試系統(tǒng)，對回流問題進(jìn)行研究。針對葉輪進(jìn)口相應(yīng)測試點(diǎn)在不同流量下的速度變化進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律和理論分析結(jié)果與以往文獻(xiàn)中試驗總結(jié)的規(guī)律變化一致。黃建德[12]對不同葉片進(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)口流場和回流發(fā)生情況進(jìn)行了探針的動態(tài)測試和可視化觀察。理清了上述葉輪參數(shù)對進(jìn)口回流初始流量和進(jìn)口流場的影響。李意民等 [13]在實(shí)驗的基礎(chǔ)上用動力學(xué)理論對離心葉輪機(jī)械入口的復(fù)雜流動進(jìn)行了研究。把離心葉輪入口流動看成是保守系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立了理想流動的自治系統(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)口段的流動研究多數(shù)運(yùn)用商業(yè)軟件和實(shí)驗配合的手段模擬和測量外特性；國外對于離心泵進(jìn)口段的研究集中于揭示旋渦、二次流等流動現(xiàn)象對于固壁的作用力，以及其他進(jìn)口段流動特征與其影響結(jié)果之間的關(guān)系。

2.3 進(jìn)口不良流動的控制

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。馮民權(quán)等 [15]運(yùn)用數(shù)值模擬和物理試驗相結(jié)合的方法對導(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)計方法，設(shè)計了基于Gottingen翼型的前置導(dǎo)流葉片，并對離心泵預(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，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，在圓柱展開面上對葉片骨線雙面加厚完成三維空間導(dǎo)葉的水力設(shè)計。endprint

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

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

3 發(fā)展趨勢

離心泵葉輪進(jìn)口區(qū)域的流動特性對于固壁的作用力、壓力脈動以及振動特性的影響較大，因此對于這一區(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)展會向著揭示該區(qū)域的流動機(jī)理，建立該區(qū)域的流動與壓力、振動的關(guān)系，形成相應(yīng)的設(shè)計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)口的非定常流動特性對泵的能量性能、空化性能、激勵特性都將產(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)口流動及激勵理論，未能建立起進(jìn)口流動與主流的相互作用關(guān)系。此外，大量研究成果僅從數(shù)值計算角度對進(jìn)口流動進(jìn)行研究，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗驗證，比如進(jìn)口非定常流動的PIV、LDA實(shí)驗。因此，對于離心泵進(jìn)口非定常流動及激勵特性而言，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