渦動效應下非對稱葉輪結構對離心泵內流影響機制

岑春海 孔冬梅

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

隨著生產生活需求的不斷提高，對離心泵也提出了高轉速、重載荷、連續運轉等設計要求。離心泵的轉子核心部件是泵轉軸與葉輪構成的轉子系統[1-2]，而轉子系統在長期高效運轉中會發生失穩故障，帶來各種安全隱患以及造成嚴重的經濟財產損失[3-5]。葉輪作為離心泵轉子動力系統的核心部件之一，運行在高溫、高壓、強腐蝕等極端工況中，長時間的交變應力以及復雜的載荷狀況會引起轉子故障的產生，因此提高高轉速離心泵運行時的可靠性、穩定性和安全性是研發人員在離心泵設計、制造、應用中最重要的考慮因素[6-8]。本文主要采用三維離心泵的渦動旋轉模型對不同葉輪結構離心泵在不同渦動情況下的流體域模型進行定常數值模擬分析，研究了葉輪結構、渦動頻率比、流量和偏心距等對離心泵內部流場的影響。

1 研究模型

1.1 計算模型

利用三維建模軟件CREO 對離心泵進行實體建模，該離心泵的主要性能參數：Q=201.5m3/h、揚程H=57m、轉速n=2950r/min。為探究非對稱葉輪結構對離心泵穩定性的影響，需要針對原始對稱葉輪模型進行方案設計，如圖1(a)所示。采用的短葉片為原葉輪扭曲型葉片的2/3，其中沿進口方向切除1/3，根據短葉片偏置理論設計了三種非對稱葉輪結構方案，包括24、33、42（上標為長葉片數，下標為短葉片數）三種方案，其中圖1(b)為兩個長葉片四個短葉片相間不對稱分布示意圖，圖1(c)三個長葉片三個短葉片相間不對稱分布示意圖，圖1(d)為四個長葉片兩個短葉片相間不對稱分布示意圖。

圖1 葉輪葉片分布示意圖

1.2 控制方程

選取標準k-ε 模型作為計算中的湍流模型[9]。其表達式為：

湍流渦黏度μt可以用湍動能k 和湍流耗散率ε 表示：

其中：Pt為湍動能生成項，常數項為Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09。

2 計算結果及分析

2.1 渦動效應下不同方案離心泵外特性預測

給定渦動頻率比ω/Ω=0.4，渦動偏心距e=0.1mm、0.3mm、0.6mm，對不同葉輪結構的離心泵的外特性進行對比。當渦動頻率比為0.4 時24、33、42方案的揚程和效率在不同偏心距下相差不大，原模型的揚程和效率在偏心距為0.1mm 和0.3mm 時，揚程和效率的大小及變化趨勢也一致；但是當偏心距為0.6mm 時原模型泵的揚程較其它偏心距下降明顯，在小流量工況效率高于其它偏心距而當流量超過0.8Qd后效率低于其它偏心距。這說明渦動頻率比為0.4 時，原模型葉輪在偏心量較大的情況下對離心泵內部流場影響較大，尤其是小流量工況，泵內部流動較為紊亂，加劇了轉子不穩定性；而非對稱葉輪結構泵內部流場結構受渦動偏心的影響不大，泵的性能基本相同。

2.2 葉輪流道流線分布

分析偏心距為0.6mm 時不同葉輪結構下離心泵葉輪流道內流場的變化情況，圖2 為四種葉輪結構在0.1 倍、0.5 倍、0.9 倍葉高下葉輪流道內流線分布狀況。

圖2 葉輪流道不同葉高截面的流線分布

從縱向觀察各圖，各葉輪方案中葉片工作面流速低于非工作面流速，其中原模型葉輪流道內非工作面流速最高。這是因為流體從進口流入葉輪，由于葉片做功將流體從工作面流向非工作面，將機械能轉化為動能，非工作面的流速高于工作面，而將對稱葉輪的長葉片縮短，葉輪的做功能力略有降低，因而非對稱結構葉輪流道內流速略低與原模型。

從橫向觀察各圖，0.1 倍、0.5 倍葉高時，各方案中流道內流速的差較為均勻，而原模型在0.9 倍葉高時，靠近前蓋板葉輪進口處有明顯的低速區，這是因為泵內流速差較大，泵內部能量交換劇烈，從而使得泵內部能量耗散最為劇烈，而其它方案葉輪流道內沒有明顯的低速區，能量耗散也比原模型略少。24方案葉輪流道內出現了旋渦，而33方案、42方案葉輪流道內流動狀態較好，沒有出現旋渦，但33方案流道內速度差較大，而42方案中流速差最小，且與原模型最相近，因此為降低渦動效應對泵內能量損失的影響，應選用42方案。

2.3 渦動頻率對穩態流體力的影響

以設計工況點(Q/Qd=1.0)，偏心距e=0.3mm 為例，研究四種葉輪方案中流體力的法向分力和切向分力與流量之間的關系。由圖3(a)可得：各方案在不同渦動頻率比下的變化幅度都較小。其中，24方案的絕對值在各渦動頻率比下都比較??；而其它三個方案的絕對值在各渦動頻率比下都較大。這表明設計工況點、偏心距為0.3mm 時，24方案在各渦動頻率比下法向振動較小，尤其在大流量工況下幾乎沒有法向振動。由圖3(b)可得：各方案隨著渦動頻率比增大而減小，但其變化的幅度不大，其中，33方案和24方案受到的較小，為了減小流體力應選用24方案葉輪。

圖3 渦動頻率比ω/Ω 對流體力分量Fn*和Fτ*的影響曲線

2.4 渦動偏心距對穩態流體力的影響

以設計工況點（Q/Qd=1.0），渦動頻率比ω/Ω=0.4 為例，研究了在四種葉輪方案中流體力的法向分力和切向分力Fτ*與渦動偏心距之間的關系。由圖4(a)可得：當e＜0.3mm 時除24方案以外各方案絕對值隨著偏心距的增大而增大；當e>0.3mm 時原模型和42方案絕對值隨著偏心距的增大而減小，而24方案和33方案絕對值隨著偏心距增大而增大?？傮w看來上述各方案變化幅度都不大，其中24方案的絕對值在各偏心距下最小。這表明渦動效應下24方案葉輪在泵內法向振動比其它方案小。由圖4(b)可得：各方案中隨著渦動偏心距的增加而不斷減小。其中24方案和33方案的較小，原模型和42方案的較大，這表明短葉片個數越多泵內受到的切向流體激振力越小。

圖4 偏心距e 對流體力分量Fn*和Fτ*的影響曲線

3 結論

渦動頻率比為0.4 時，大偏心距對原模型的性能影響很大，泵的揚程在各流量均下降，效率在小流量略有升高大流量反而在下降；而非對稱葉輪結構的泵在不同偏心距下，泵的揚程、效率特性基本相同。

設計工況點、渦動頻率比為0.4 時，原模型內部流場結構受大渦動偏心距影響較大。而采用非對稱葉輪結構，可有效降低渦動偏心距對離心泵內部流場變化的影響，使得葉輪流道內速度分布比原模型均勻，并且選用42方案時，離心泵內壓力梯度最小，壓力分布均勻性最優。

偏心距對法向流體力的影響不大，而切向流體力隨著渦動偏心距的增加而不斷減小。渦動頻率發生變化時，法向流體力和切向流體力均不隨之變化。