超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究_方铭坤.pdf
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1、超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究方铭坤,刘竹青(中国农业大学水利与土木工程学院,北京)摘 要 超低比转速离心泵内部非定常流场导致的压力脉动问题是影响其安全稳定运行的重要因素。本文研究了“”型叶片超低比转速离心泵内压力脉动的分布特征及其对安全稳定运行的改善效果,采用 湍流模型,对“”型叶片和直叶片两种形式分别进行定常以及非定常数值模拟,得到泵内叶轮叶片及隔舌处的压力脉动特征,并进行时域及频域分析。结果表明:直叶片小流量工况下压力脉动幅值最小,而“”型叶片在额定工况压力脉动幅值最小;两种叶轮均以叶片通过频率为主,低频特征明显。“”型叶片叶轮在.
2、(为设计流量)、.、.、.四种工况下叶轮出口及隔舌处监测点压力脉动幅值均有不同程度的下降,下降幅度达 ,说明与直叶片相比,采用“”型叶片能有效降低超低比转速离心泵的压力脉动幅值,提高超低比转速离心泵运行稳定性。关键词 超低比转速离心泵;压力脉动;非定常流场;叶轮形式中图分类号 文献标志码 文章编号(),(,):,“”,“”,“”“”,“”:;基金项目:国家自然科学基金()前言超低比转速离心泵是离心泵中一种比较特殊的泵型,一般认为,比转速低于 的离心泵为超低比转速离心泵。由于超低比转速离心泵具有流量小、扬程高等特点,在石油化工、航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景,除此之外,其在高层楼房供水、
3、压力锅炉供水、净水系统和医疗卫生等与人们生活息息.大 电 机 技 术相关的领域也有着广泛的应用。离心泵中的压力脉动现象是指泵内压力分布不均,有集中或者较大的压力作用于某部位,单次持续时间不长,且具有一定的周期性。一直以来,由压力脉动引起的离心泵性能下降、泵体振动严重、噪声危害等问题一直是工程实践以及科学研究的重点。对于超低比转速离心泵来说,压力脉动较强的主要原因有两个:一是由于超低比转速离心泵叶轮具有出口宽度较小、叶轮流道狭长等特点,导致其叶轮圆盘摩擦损失占总损失的比重较高,加剧运行不稳定性;二是由于其运行流量较小、内部流态复杂,存在叶轮进口回流、叶轮流道内的二次流和叶轮出口的反向流等非定常流
4、动现象,使得泵内压力脉动较为强烈,增加了水力损失,严重时会损坏水泵系统设备,影响机组运行稳定性。因此,研究泵内压力脉动情况有助于解决泵体振动及噪声等问题,通过对超低比转速离心泵的设计改型,以期达到降低超低比转速离心泵压力脉动的目的。国内外针对离心泵压力脉动特性有较广泛的研究。丛国辉等采用大涡模拟和滑移网格技术,对某双吸离心泵进行不同工况下三维非定常湍流数值模拟,结果表明:叶轮和隔舌处的动静干涉作用是产生压力脉动的主要原因,并且小流量工况下不稳定性较强。周林玉的研究结果得到了相似的结论,其采用大涡模拟和滑移网格技术分析了偏离工况下叶轮与蜗壳动静干涉处的压力脉动,分析结果表明:泵内压力脉动主频多数
5、为叶片通过频率,在各个工况下叶轮出口压力脉动幅值均最大,小流量偏离工况下,脉动主频不再是通过频率,频谱宽度明显增大。等采用数值模拟和试验结合的方法,分析了不同流量下分流叶片对低比转速泵性能和压力脉动的影响,结果表明:与无分流叶片的原型和分流叶片方案相比,当分流叶片向主叶片吸力侧偏转时,模型泵不同监测点的最大压力脉动幅值最低,提出的一种带分流叶片叶轮方案,可有效降低主流压力脉动幅度。等运用数值模拟与试验相结合的方法研究了离心泵内部的压力脉动情况,结果表明将监测点设置在壁面处可以更有效地反映泵内压力脉动的情况。等应用实验方法研究了离心泵非定常流动和噪声之间的关系,结果表明叶轮内流体会从叶片的压力侧
6、流向吸力侧,从而形成径向移动涡旋,造成泵内压力不稳定。国内外对离心泵内部非定常流动压力脉动特性研究已有较为成熟的理论体系,但是对于超低比转速离心泵内部压力脉动情况研究较少。本文以直叶片叶轮和“”型叶片叶轮超低比转速离心泵为研究对象,研究“”型叶片叶轮对超低比转速离心泵内部流动改善及压力脉动特性的影响,为改善超低比转速离心泵振动特性提供参考。数值计算模型及方法.实体模型本文所采用的计算模型如图 所示,由进口段、叶轮以及蜗壳三部分构成,蜗壳采用低膨胀率设计以减小水头损失;“”型叶片叶轮由 个长叶片和 个短叶片构成。图 计算模型超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性研究.原型直叶片泵主要设计参数见表
7、,原型“”型叶片主要设计参数见表,其中,比转速计算公式为:.()其中,为额定转速,为额定扬程。表 直叶片泵主要设计参数参数单位数值叶片数 比转速.额定转速 设计流量 .设计扬程.叶轮进口直径 叶轮出口直径 叶片进口安放角 叶片出口安放角 表“”型叶片泵主要设计参数参数单位数值叶片数 比转速.额定转速 叶轮进口直径 叶轮出口直径 叶片进口安放角 叶片出口安放角.数学模型超低比转速离心泵内部流动流量较小,在运行过程中会伴随复杂的流动现象,包括叶片进口的流动分离、流道内部的回流、二次流、叶轮出口的反向流和漩涡等。因此本文采用 模型对泵内部进行非定常模拟,该模型可以精确计算动静交界面及近壁区的复杂流动
8、,实现 模型和 之间的转化,其在壁面处理方面更有优势,适用于进行流体机械湍流模拟分析,具体方程如下:()()()()式中,为流体密度,;为湍动能;为时间,;为时均速度;为湍流黏度;为由于黏性力引起的湍流生产项;为经验系数,取.;为湍流频率。式中 和 取值范围为,。()()()()()其中:(,)()()由于()式和()式是通过混合函数将 模型与标准 模型结合在一起的,因此,式中带有下标 的各个常数按下式计算:()()式中,为 模型常数;为标准模型 常数;为混合函数,在近壁处 ,意味着这个区域使用 模型,在远离壁面处,意味着这个区域使用标准 模型。的表达式为:()(),(),()式中,为计算点到
9、壁面的距离,;为湍流比耗散率项。也是混合函数,其功能与 类似,在边界层内为,在剪切层为:()(),()上述各式中:;.;常取.;.;.;为经验系数,取.,.;.;.;为经验系数,取.。.网格划分及网格无关性检验本文采用商用网格划分软件,对全模型采用适应性较强的四面体非结构网格划分。为了保证数值模拟的准确性,对计算域划分得到三套网格,网格数分别为,基于理查德外推法()进行网格收敛指数的计算,如图 所示,选择扬程 作为关键物理量。其中“”型叶片叶轮流域总网格数,分别为、,细化因子 为.,为.,精细网格的 值为.,粗网格的 值为.,均满足收.大 电 机 技 术敛要求。考虑到计算资源以及网格收敛性指数
10、,选择第二套网格即网格数为 为计算网格。其网格分布如图 所示。图 基于理查德森外推法的 网格检查图 计算网格.数值模拟计算设置流体域进口为质量流量进口,出口相对压力设为,壁面条件采用无滑移壁面;以.、.、.、.四个工况的定常计算结果作为非定常计算的初始条件。进行非定常瞬态计算时,在坐标系变换 的 改为瞬态冻结转子(),其余设置均与定常计算的设置相同。叶轮每旋转计算一步,即将每个旋转周期分为 个时间步,每个时间步长为.,设置 个计算周期,待计算结果稳定后,选取后五个计算周期的计算数据进行压力脉动特性分析。.监测点设置为了充分了解叶轮蜗壳动静交界面及隔舌处的压力脉动变化规律,在叶轮蜗壳交界面 个流
11、道的中间部位各设置一个监测点,编号为 ,蜗壳隔舌处设置一个监测点,命名为,共 个监测点,两种叶片监测点设置情况均相同,具体分布如图 所示。图 监测点分布 计算结果及分析.外特性对比分析通过对两种叶片扬程和效率的模拟,在.工况范围,每隔.设置一个计算,得到两种叶片的外特性曲线图,如图 所示。通过分析可以看出:直叶片扬程随流量先上升、后下降,扬程最高点出现在.附近,实验测得直叶片额定工况扬程为.,效率为,对比直叶片额定工况点的数值发现,模拟扬程和效率较实验结果均有提高,这是由于数值模拟是在理想状态下运行,未考虑各种损失;改进后的“”型叶片扬程变化趋势与直叶片基超低比转速离心泵非定常流动压力脉动特性
12、研究.本一致,扬程最高点出现在.附近;改进后的“”型叶片无法提供较大的扬程,在泵内部压力脉动特性得到改善的基础上扬程下降 左右。两种叶片扬程随流量变化幅度并不明显,这是由于叶轮出口为径向出流,理论扬程接近一条直线。效率随流量的增大逐渐升高,改进的“”型叶片效率上升 左右。图 外特性曲线.泵内总压分析不同工况下直叶片叶轮内部压力分布如图 所示,其中,为总压值。从中可以看出:不同工况下叶轮内压力分布规律基本一致,叶片进口处存在较大的低压区,从叶片进口到叶片出口压力逐渐升高,在.和.叶片出口两侧均存在一个三角形区域的高压区,且压力侧大于吸力侧;额定工况下低压区更为明显,部分低压区向离出口最近的流道内
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