doi:10.3969/j.issn.1674-8530.16.0164
张霞, 袁寿其, 张金凤, 黄茜
(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013)
张霞
摘要：为了研究2种不同螺旋形蜗壳型式下高比转数离心泵的水力特性,以某一螺旋形单蜗壳为原型,设计了一台各截面面积相等、主要几何参数相同且带有对数螺旋形隔板的双蜗壳.选用SST k-ω湍流模型,应用ANSYS 14.5软件,对单、双蜗壳高比转数离心泵进行了不同工况的三维湍流数值计算,并利用原型泵的外特性试验,验证了数值计算方法的准确性.结果表明:在大流量工况下,双蜗壳泵具有更高的水力效率和扬程;额定工况及小流量工况下,隔板的存在影响不大.此外,双蜗壳内的压力脉动整体小于单蜗壳内的,尤其在靠近蜗壳出口处,双蜗壳内的监测点压力脉动幅值显著降低,这表明隔板能有效地抑制压力脉动;从扩散管段的截面流线图可以看出其流动比单蜗壳的更顺畅;不同工况下,双蜗壳匹配作用下的叶轮所受径向力均小于单蜗壳作用下的,尤其在大流量工况下,差值最大,说明隔板也能更好地平衡叶轮所受径向力.这对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.
关键词：高比转数离心泵;螺旋形双蜗壳;隔板;径向力;数值模拟;压力脉动
高比转数离心泵以其大流量的特点广泛应用于农业灌溉、城市给排水、锅炉给水、航海航天等工程中[1].由于高比转离心泵在大流量工况下内部流动结构复杂,运行过程中常会出现一些问题,例如泵轴与轴套接触表面以及轴套端面等处发生疲劳破坏;从泵启动到打开出口阀门过程中,密封环常发生抱轴现象;运行过程中泵轴间隙不均匀引起泄漏[2].工程实际应用表明,发生上述问题是由于螺旋形单蜗壳离心泵在大流量工况运行时,叶轮周向压力平衡被严重破坏,叶轮受径向力作用,使泵轴受交变应力作用[3-4],从而破坏了运行稳定性,严重时直接卡死.
螺旋形蜗壳作为离心泵的重要过流部件之一,相较于环形蜗壳而言,其优势在于水力损失较少.螺旋形蜗室主要有单蜗壳、双蜗壳2种设计型式.其中双蜗壳可以使离心泵内部流动更加均匀、对称,因而得到广泛应用[5-7],但其劣势在于铸造难度大.
由于单、双蜗壳结构上的不同,在蜗壳内产生的压力脉动以及作用在叶轮上的径向力各不相同[8-9].对于比转数为180的离心泵,是否有必要进行双蜗壳设计并且分析研究2种螺旋形蜗壳对泵内压力脉动、内部流动以及叶轮所受径向力的影响,这对改进蜗壳结构设计、提升高比转数离心泵在大流量工况下的水力性能有着重要的意义.
目前,国内外很多专家学者采用试验和数值模拟的方法,对不同蜗壳型式下离心泵的内部流动特性进行了研究[10].PARRONDO-GAYO等[11]通过试验的方法得到了普通蜗壳内的压力脉动,表明隔舌和叶轮的相互作用对蜗壳的压力脉动有着重要作用.GONZ
文中以一台单蜗壳螺旋形高比转数离心泵为原型,在此基础上设计一台相同过流段断面面积的带隔板螺旋形蜗壳,并保证其他过流部件参数均不变.利用CFX软件进行数值计算,对比其内部非稳态的压力脉动和径向力,以期能够从蜗壳型式上改善离心泵的性能,为提高离心泵内部流动特性以及减少内部流动诱导振动噪声提供借鉴.
1.1 模型建立
以某公司所产的一台单级单吸螺旋形高比转数离心泵为原型.该泵的设计性能参数:设计流量Qd=620 m3/h,扬程Hd=28 m,转速n=1 450 r/min,比转数ns=180.泵主要过流部件的几何参数:叶轮进、出口直径分别为Dj=225 mm,D2=340 mm,叶片数Z=5,叶轮出口宽度b2=54 mm;蜗壳进口宽度b3=80 mm,蜗壳基圆直径D3=355 mm,隔舌安放角φ0=36°,蜗壳出口直径D4=225 mm;原型泵蜗壳为螺旋型单蜗壳,在此基础上,根据双蜗壳设计基本原理,添加对数螺旋型隔板.
采用软件CATIA对2种泵进行三维造型,在泵的其他几何结构参数不变的情况下,进口管和叶轮完全相同,建立不同蜗壳的泵模型.为了便于网格的划分,叶轮和蜗壳间隙之间的水体加在蜗壳上;为了使流动能够充分地发展,同时减少进出口边界位置对泵内部流动的影响,对模型泵进出口管道进行适当延长.
1.2 计算域和网格划分
整个计算域由叶轮,蜗壳,进、出水流道组成.利用ICEM CFD对主要过流部件进行网格划分.由于双蜗壳结构复杂,生成六面体网格有一定难度,因此选用四面体非结构网格，而其他水体选用六面体结构网格.
通过改变节点数和全局参数,划分了4种不同数量的网格.分别对不同网格下的单、双蜗壳式离心泵进行额定工况下的定常数值计算,发现在一定范围内,网格数越多,扬程预测值越高,但当网格数超过3 000 000后,计算值趋于稳定.考虑到计算效率,对于单蜗壳离心泵,选取2 954 874作为该案例的计算网格数;对于双蜗壳离心泵,选取3 051 241作为该案例的计算网格数;其中2种蜗壳型式离心泵中,叶轮,进、出水管流道的网格数相同,分别为1 402 514,292 142,310 124,单蜗壳的网格数量为950 094、双蜗壳网格数量为1 046 461.单、双蜗壳的网格划分如图1所示.
图1 蜗壳计算域及网格示意图
Fig.1 Sketch of mesh and computational domain
1.3 计算方法
采用商业软件ANSYS CFX进行数值计算,首先对流场进行稳态计算.计算过程中,封闭控制方程选取SST k-ω湍流模型,该模型考虑了湍流剪应力的传播,因此不会对涡流黏度形成过度预测,并且该模型在低雷诺数条件下的近壁处理对分离预测的准确性和可靠性较高.采用有限体积法进行离散求解,对所有变量进行整场联立求解,同时求解连续方程和动量方程.
叶轮流道内的水体为旋转体,蜗壳内水体为非旋转体,定常计算中动静域交界面设置为Frozen rotor,进口设置为压力进口条件,压力p为1.01×105 Pa(1个大气压),参考压力为0.通过改变出口流量实现变工况过程,因此出口边界条件设置为质量流量出口.固体壁面采用绝热无滑移边界条件,并给定固体壁面粗糙度,近壁区域采用标准壁面函数处理.采用高阶求解精度,收敛残差RMS设置为10-5,计算迭代步数最大为1 000步;在非定常计算中,以定常计算的结果作为初始值,边界条件不变,而动静域交界面改成Transient frozen rotor,计算周期为叶轮旋转8圈时间,即0.331 034 88 s,选取3°为1个时间步长,即3.448 28×10-4 s.取结果较为稳定的、最后1个周期的结果进行分析.
1.4 监测点布置
为了分析2种不同蜗壳型式泵内的压力脉动,在蜗壳的隔舌、出口及隔板各位置设置监测点,如图2所示,蜗壳中截面上P1,P2,P3,P4,P5的坐标(R,θ)分别为(188 mm,78°),(214 mm,180°),(188 mm,258°),(214 mm,0°),(480 mm,90°).
图2 蜗壳中截面上监测点示意图
Fig.2 Monitoring points on mid-span section of volute
为了验证数值计算的准确性,同时考虑到压力脉动试验比较昂贵,因此只对原型泵进行外特性试验.试验采用精密制造样机,在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心搭建水泵性能开式试验台.试验用泵如图3所示.
图3 试验用泵
Fig.3 Experimental pump
将计算得到的泵扬程和流量曲线与试验的进行比较,该曲线是定常计算中最后50个时间步的平均结果.根据工程需要,对流量、扬程进行量纲一化处理,定义量纲一的扬程系数ψ和流量系数φ分别为
(1)
(2)
式中:u2为叶轮出口的圆周速度,m/s;g为重力加速度,取9.8 m/s2;H为扬程,m;qv为体积流量,m3/s;D为叶轮外径,m;n为转速,r/min.
量纲一化的扬程-流量曲线如图4所示,额定工况下的流量系数为0.18.
图4 模拟与试验外特性曲线对比
Fig.4 Comparison of experimental and numerical performance of centrifugal pump
由于模拟得到的效率仅仅是水力效率,而试验得到的效率还包含了机械效率以及容积效率,两者不具有可比性,因此仅从扬程角度验证数值计算的准确性.从图4可知,数值模拟结果和试验结果吻合良好.其中,扬程的模拟值比试验值略高,在额定工况下,相对误差为1.8%,最高误差仅有5.0%,完全满足误差要求.由此可见,通过该数学模型可以得到较为可靠的结果,为进一步分析提供了保证.
为了较全面地揭示设计的2种蜗壳型式对模型泵性能特性的影响规律，以外特性曲线、内部流场分析以及压力脉动等多角度做研究.
3.1 外特性分析
在相同的设置条件下,对2种离心泵进行数值模拟,预测了单、双蜗壳2种结构型式泵的水力性能,其性能曲线如图5所示.可以看出,在小流量工况下,双蜗壳泵的扬程H和效率η均略低于单蜗壳泵的,这可能是由于双蜗壳隔板抑制了泵内部充分流动,会诱导回流,但是影响并不大.在设计工况下,单、双蜗壳泵的效率均达到最大.在大流量工况下,双蜗壳泵的扬程和效率均高于单蜗壳泵的,这是由于双蜗壳中的隔板能使流动平顺和规整,增加了水力平衡性,从而提高了泵的水力性能,并且可以看出流量越大,其改善作用越明显.
图5 不同蜗壳型式泵性能曲线
Fig.5 Performance curves of pumps with different volutes
3.2 内流场分析
为了研究不同蜗壳型式对蜗壳扩散段流动的影响,对不同工况下扩散段的流线分布进行分析.扩散管中截面上速度流线分布如图6所示.
图6 扩散段流线图
Fig.6 Streamline in diffuser
由图6可以看出,在设计工况1.0Qd下,2种蜗壳型式的扩散段流线分布情况都较好;小流量工况下,单蜗壳和双蜗壳都出现部分低速区,但单蜗壳扩散段的低速区域要略小于双蜗壳扩散段的.在偏大流量工况下,单蜗壳扩散段的流线出现大范围的混乱,1.2Qd工况下,先出现了小幅的低速旋涡区,随着流量增大到1.4Qd,单蜗壳出现了更加明显的低速旋涡区向出口移动,堵塞更大的流道,在不同曲率壁面的流动附近产生了明显的速度差,这也是单蜗壳泵在大流量工况下效率不高、性能不佳的原因;而双蜗壳泵的流动比较规整,基本无旋涡产生,这说明双蜗壳的隔板能够减少扰流,能够使流动更加顺畅、平稳,可以有效提高泵在大流量工况运行时的稳定性和可靠性.
3.3 非定常计算结果与分析
3.3.1 蜗壳内压力脉动特性
经非定常计算得到各监测点的静压.为了比较压力脉动的大小,定义压力系数为
(3)
式中:p为监测点实时静压
叶轮转速n=1 450 r/min,泵轴的转动频率为24.17 Hz,叶片通过隔舌的频率为fn=120.85 Hz.从非定常计算中获得设计工况下瞬态条件下各监测点的静压,经快速傅里叶变换,可以得到监测点P1,P3,P5处压力脉动的频域分布图,如图7所示,图中A, f分别为压力脉动的幅值和频率.
图7 额定工况下蜗壳监测点频域特性
Fig.7 Frequency domain characteristics at points involutes under design condition
由图7可以看出,对于单蜗壳泵和双蜗壳泵,在隔舌附近的P1点脉动幅值最高,且出现了较多的高频脉动,脉动主频为120 Hz左右,为1倍叶频处,次主频在2倍叶频处.沿流动方向,在蜗壳出口P5处压力脉动幅值最小.并且P3处双蜗壳的脉动强度高于单蜗壳的,这可能是由于P3处双蜗壳受到隔板的影响,动静干涉作用增强,从而导致蜗壳内压力脉动增大.然而,在P5处双蜗壳的压力脉动比单蜗壳的小很多,说明双蜗壳型式能够有效地抑制和调节蜗壳出口的压力脉动现象.
由于隔板在大流量工况下对泵的水力性能影响比较大,因此有必要对大流量下的压力脉动进行分析.选取1.4Qd下的脉动数据进行分析.图8为各个监测点处静压随时间的变化规律,监测点位置如图2所示.
图8 蜗壳监测点时域特性
Fig.8 Time domain characteristics at points in volutes
由图8可以看出,各监测点处的压力脉动随叶轮的旋转均呈周期性变化,且叶片数对压力脉动有较大影响.监测点P2和P4处压力脉动存在相位差但波形基本一致,这是因为对于单蜗壳和双蜗壳,P2和P4均为对称点.另外,P3处由于隔板的影响,双蜗壳的压力脉动最为强烈,且大于单蜗壳的压力脉动.在出口监测点P5处,双蜗壳的脉动波形比单蜗壳的波形更为规整,脉动幅值小于单蜗壳.由此可以说明,在大流量工况下,双蜗壳型式对蜗壳出口处的压力脉动有较大的抑制作用,从而能改善泵的水力性能.
3.3.2 叶轮径向力特性
为了分析泵内的径向力特性,定义量纲一的系数径向力K[15],其定义式为
(4)
式中:F为径向力,N;ρ为密度,取1 000 kg/m3;u2为叶轮出口圆周速度,m/s;D2为叶轮出口直径,mm;b2为叶轮出口宽度,mm．
图9为不同工况下叶轮所受径向力的变化曲线.可以看出,在不同工况下,单蜗壳泵叶轮所受的径向力均大于双蜗壳泵的,说明双蜗壳的蜗壳型式对平衡叶轮径向力有较大的作用.其中,在小流量工况下,2种蜗壳型式下叶轮径向力差距较小;在额定工况下,两者的叶轮径向力均达到最小,并不为0,这可能是由于泵体的结构不对称导致液体在叶轮周围压水室中的速度和压力是非均匀的,即非轴对称而引起的;随着工况往大流量偏移,单蜗壳下的叶轮所受径向力急剧增大,然而双蜗壳下的叶轮径向力保持在一个较低的水平,这说明在大流量工况下,双蜗壳平衡径向力的能力最大,这可以为大流量下减小叶轮径向力作参考.
图9 不同工况下叶轮径向力曲线
Fig.9 Radial thrust curves under different operating conditions
在保证其他过流部件一致的前提下,控制蜗壳各截面面积不变,对某一高比转数离心泵的蜗壳进行改造设计,添加对数螺旋形隔板,对添加蜗壳隔板前后的离心泵分别进行多工况的数值模拟分析,以研究蜗壳型式对于高比转数离心泵性能的影响;分别从外特性、扩散段内流场、压力脉动以及平衡径向力作用等方面进行分析.得出以下结论:
1) 在大流量工况下,具有双蜗壳的高比转数离心泵的扬程和水力效率普遍高于单蜗壳离心泵的,双蜗壳型式对改善泵的水力性能有一定作用.同时可以发现,双蜗壳扩散段流动更加规整、顺畅.对小流量工况而言,隔板的作用导致轻微的扬程和效率的下降,可能会诱导回流,但影响并不大.
2) 在额定工况下,双蜗壳内压力脉动幅值最大的区域有2个:隔舌附近、隔板附近.说明对于双蜗壳高比转数离心泵而言,隔板对压力脉动的影响也比较大.这可以为今后的研究工作尤其在隔板附近强度的分析提供参考.
3) 在额定工况和大流量工况下,双蜗壳离心泵出口处的压力脉动都小于单蜗壳离心泵,这说明带有隔板的双蜗壳型式能够有效地抑制蜗壳内的压力脉动现象.
4) 单蜗壳和双蜗壳泵叶轮所受到的径向力的大小和趋势在小流量工况下较为一致,但是在大流量工况下,双蜗壳泵所受到的径向力仅为单蜗壳泵下的20%,这说明双蜗壳的结构形式能够有效减小叶轮所受到的径向力,且在大流量工况下的改善作用最明显.
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(责任编辑 张文涛)
Effects of spiral volute type on performance of high specific speed centrifugal pump
ZHANG Xia, YUAN Shouqi, ZHANG Jinfeng, HUANG Xi
(National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)
Abstract：In order to study the internal flow field in two high specific speed centrifugal pumps with different volutes, a pump with logarithmic spiral splitter is designed based on a pump with single logarithmic spiral volute. The cross-sectional area and the main parameters of two pumps are identical. A series of numerical simulations are conducted by making use of the SSTk-ω turbulence model and ANSYS 14.5 software to obtain the unsteady, three-dimensional and turbulent flows in the centrifugal pumps with single and double volutes under different operational conditions. The performance of the pump with single volute are tested to validate the accuracy of simulations. It is found that the pump with double volute is subject to a better hydraulic efficiency and higher head at high flow rates. Howe-ver, the effect of the splitter on the performance is minor under design and part-load conditions. In addition, the pressure fluctuations in the double volute pump are less than those in the single volute pump, especially at the outlet, suggesting the splitter can damp pressure fluctuations effectively. It can be seen that the flow in the double volute is smoother than that in the single volute based on the streamline patterns in the diffuser. Compared with the single volute pump, the double volute centrifugal pump can undergo a reduced radial thrust, especially at high flow rates. The results are valuable for the hydraulic design of high specific speed centrifugal pumps in some degree.
Key words：high specific speed centrifugal pump;spiral double volute;baffle board;radial force; numerical simulation;pressure fluctuation
收稿日期：2016-07-16;< class='emphasis_bold'>网络出版时间： 2017-01-09
网络出版：时间： 2017-01-09
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170109.0844.010.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51239005，51009072)； 江苏高校优势学科建设工程项目
作者简介：张霞(1991—)，女，江苏宝应人，硕士研究生(awedfcv@163.com)，主要从事流体机械水力设计优化及内部流动特性研究.
袁寿其(1963—)，男，上海金山人，研究员，博士生导师(shouqiy@ujs.edu.cn)，主要从事流体机械及排灌机械研究.
中图分类号：S277.9; TH311 <文献标志码: a='' class='emphasis_bold'>文献标志码: A 文章编号： 1674-8530(2017)01-0025-07
文章编号：1674-8530(2017)01-0025-07
文献标志码：A 文章编号： 1674-8530(2017)01-0025-07
张霞, 袁寿其, 张金凤， 等. 螺旋形蜗壳型式对高比转数离心泵性能的影响[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(1):25-31.
ZHANG Xia, YUAN Shouqi, ZHANG Jinfeng, et al. Effects of spiral volute type on performance of high specific speed centrifugal pump[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(1):25-31.(in Chinese)
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