董宏平
国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司 新疆哈密市839000
摘要:为了研究混流泵内部非定常流动特性,基于ANSYS CFX软件对混流泵的外特性和内部流场进行了非定常计算,获得了不同流量工况下转子径向力的分布情况和不同监测点的压力脉动时域、频域响应,分析了不同流量工况对混流泵转子径向力和压力脉动的影响.研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果的趋势基本吻合,说明数值计算的准确度较高.3种流量工况下径向力的分布均呈现一定的周期性,小流量工况下的瞬态径向力合力最不稳定,设计工况下的瞬态径向力合力规律性最强,大流量工况下混流泵瞬态径向力合力波动性最小.不同流量工况下叶片通过频率始终占主导因素,低频信号是引起设计工况压力脉动的主要原因,流量变化对轮缘间隙进出口压力系数幅值影响较小,对叶轮中间位置处压力系数幅值影响较大.研究结果为揭示导叶式混流泵内部不稳定流动特性及其诱导的转子故障恶化提供理论依据.
关键词：混流泵；内流；场压力；脉动特性；研究
基于RANS方程和SST湍流模型，应用SIMPLEC算法，对混流泵内流场进行非定常数值模拟，分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性。取非定常计算的功率平均值与试验值对比，证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征。结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口，从轮毂到轮缘脉动幅值递增；在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频，而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关；偏离最优工况越远脉动越大，偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显；不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似，脉动幅值随转速增加而增加。
1前言
混流泵在农田灌溉、防涝排洪、城市供水等领域都有广泛应用。由于转动叶轮与静止导叶之间的相对运动、叶片导边的水流冲击、叶片随边的脱流、局部空化等都会引起混流泵内出现压力脉动，其主要危害是使机组振动加剧和噪声增大。为了改善混流泵运行的稳定性和安静性，很有必要对混流泵内流场的压力脉动特性进行深入研究。
泵内流场压力脉动的试验研究具有测量困难、周期长、成本高等不利因素，压力脉动特性的相似理论尚未完善使得模型试验结果往往不能对实尺装置有效指导。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)的专家采用数值计算手段对离心泵、轴流泵的非定常流场开展了一定研究，而对混流泵压力脉动的研究则相对较少。
本文对混流泵内三维非定常湍流进行数值模拟，以揭示混流泵内流场的压力脉动规律，为混流泵的结构优化和噪声控制提供参考。
研究对象为比转数ns=445的混流泵，其主要参数为:叶轮叶片数z=6，导叶叶片数z1=11，设计流量系数KQ=Q/(n0D3)=0.93，扬程系数KH=H/(n20D2)=0.35，Q为流量，n0为转速，D为混流泵标称直径，H为扬程。在叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面上各设置了5个压力监测点，沿径向均匀布置，如图1所示。
.png)
2压力监测点的布置
图1压力监测点的布置
(1)混流泵叶轮进口压力脉动最大，这是影响机组稳定和安静运行的关键。叶轮进口和叶轮出口压力脉动幅值从轮毂到轮缘递增，优化叶轮轮缘是改善压力脉动的有效手段。
(2)混流泵叶轮进口和叶轮出口压力脉动主要频率为叶轮叶频；在最优工况和小流量工况，导叶中间和导叶出口的压力脉动以低频为主，而大流量工况依然是叶轮叶频占主导。为防止机组共振，应避免结构的固有模态与压力脉动频率接近或成整数倍。
(3)运行偏离最优工况时混流泵内流场压力脉动增大，偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显。不同转速时的最优工况混流泵内压力脉动成分相似，压力脉动随转速增大而增大。
为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况，采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟，通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动的时域和频域情况，探讨了产生压力脉动的主要决定因素，同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比.研究表明:这4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大;叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显，叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期，叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动，且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱;在导叶中间截面和导叶出口截面，叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小，压力脉动以低频振动为主，脉动幅值也大为减小;在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小，大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况.
众所周知，旋转叶轮与静止导叶的非定常时序干扰、偏离最优工况时叶片的出口回流、局部空化及气蚀等因素，都会导致混流泵内部流动出现不连续性，进而引起流场内液体压力随时间快速地脉动，即出现所谓的压力脉动现象.压力脉动严重时会导致泵体振动加剧，同时还可引发进一步的局部空化，甚至在某些情况下会引起机器共振，产生危害.因此，出于降低噪声和提高运动稳定性的需要，研究泵内部非定常流场压力脉动特性有着重要的意义.
国内外学者对压力脉动进行了相关研究.Solis等通过改变叶轮形状和径向尺寸，采用雷诺时均N-S方程和SST k-w两相湍流模型进行三维非定常湍流计算，以减小压力脉动对离心泵的影响.Berten等通过CFD CFX10技术和水下驻波试验，对多级离心泵内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算，得出动静干扰诱发压力脉动的特点.刘阳等对离心泵压力脉动进行了全面阐述，总结了3种不同的压力动.施卫东等对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟和试验研究，得到轴流泵在不同工况和不同导叶数时内部流场的压力脉动特性.但对于高比转数混流泵内压力脉动情况还缺少相关研究.
文中在三维定常湍流计算的基础上，对模型泵进行全流道三维非定常大涡湍流模拟，从而预测叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动，并利用FFT变换对各个计算点的压力数据进行分析，探讨混流泵全流道内压力脉动产生的主要决定因素等，同时对不同流量下的压力脉动进行对比，为了解混流泵的内部流动提供重要理论依据.
3基本参数
高比转数混流泵模型泵设计参数:流量Q=1 300 m3/h;扬程H=6 m;转速n=1 450 r/min;比转数ns=830.文中进行数值模拟的模型泵的叶轮、导叶叶片数组合型式为4+7(叶轮+导叶).
4计算区域
图2为模型泵的计算区域.进行数值模拟计算时，把模型泵划分为4个计算区域，即喇叭管、叶轮、导叶、弯管部分.
.png)
模型泵的计算区域
图2模型泵的计算区域
5结论
1)大涡模拟流动理论准确地预测了混流泵的外特性.计算结果与试验结果较吻合，这说明大涡模拟计算方法具有较高的精度，对研究压力脉动具有可行性.
2)叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘都是增大的，且轮缘处的幅值是轮毂处的2倍以上.因此，对叶轮轮缘等相关结构参数进行优化，是改善混流泵内压力脉动特性的重要途径.
3)在叶轮流道区域，压力脉动主要是由叶轮转动频率决定，压力脉动的周期与叶轮的叶片数相关，导叶叶片数对其无明显影响.随着流体不断远离叶轮，叶轮对压力脉动的影响逐渐减小.这说明叶轮进口处是影响整机运行稳定性的关键，在混流泵的设计中应予以重视.
4)偏离设计工况时，压力脉动明显增大，且小流量工况下增幅大于大流量工况.因此，混流泵应尽量避免在偏离设计工况下运行.
参考文献：
[1]陈颖敏.热力设备腐蚀与防护.航空工业出版社出版，1999.
[2]孙彤彤.腐蚀与防护手册[M].北京：化学工业出版社，1989.