蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响

陈 颖,李国平,张 宁,杜文强,高 波

(1.海军驻温州地区军事代表室，浙江温州 325000;2.中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031;3.江苏大学，江苏镇江 212013)

蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响

陈 颖1,李国平2,张 宁3,杜文强3,高 波3

(1.海军驻温州地区军事代表室，浙江温州 325000;2.中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031;3.江苏大学，江苏镇江 212013)

为研究蜗壳喉部面积对离心泵非定常特性的影响，针对同一离心泵叶轮，设计匹配4种不同喉部面积的蜗壳，并采用数值计算方法对泵内流非定常流动进行计算。结合面积比原理，分析了喉部面积对泵性能、径向力以及压力脉动的影响规律。结果表明：喉部面积对离心泵水力性能影响显著，设计工况下，随着喉部面积的减小，扬程和效率逐渐降低；受喉部面积影响，不同工况叶轮所受径向力大小不同且具有极小值，但极小值所对应的工况点有所不同；合理的喉部面积能有效降低泵内的压力脉动水平，随着喉部面积减小，泵内压力脉动水平增加，而当增加喉部面积时，压力脉动水平降低。通过分析蜗壳不同喉部面积对离心泵性能的影响，可为低噪声离心泵面积比设计提供参考。

离心泵；喉部面积；水力性能；径向力；压力脉动

1 前言

离心泵广泛应用于化工、水利等领域，也是航空航天、舰船等高技术装备的关键设备。离心泵叶轮与蜗壳的动静干涉作用会诱发泵内非稳态流动，这种动静干涉激励的低频压力脉动甚至会造成泵体产生共振，严重影响泵的稳定与安全运行[1～3]。而叶轮与蜗壳是否良好匹配将严重影响泵的整体性能。Anderson早在20世纪50年代就提出了面积比原理，指出叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比是离心泵扬程、流量和轴功率等特性的主要决定因素[4,5]。Worster从理论上证明了Anderson所提出的面积比原理的合理性[6]。邓文剑等研究了叶轮与蜗壳的匹配关系对离心泵性能的影响，分析了面积比对水力性能的作用规律[7]。刘在伦等基于面积比理论，提出了在面积比系数及泵体不变的条件下只改变叶轮的泵设计方法[8]。然而大多数基于面积比原理设计的研究仅针对泵的水力性能进行了探讨，鲜有文献研究面积比对泵非定常特性的影响。

本文基于面积比原理，针对同一叶轮，对4种不同蜗壳喉部面积条件下的模型泵进行研究，分析不同面积比对离心泵水力性能、径向力以及压力脉动水平的影响，以期为低噪声离心泵面积比设计理论提供参考。

2 模型主要参数及设计方案

Y=0.95πD2b2sinβ2/Ft

(1)

式中D2——叶轮直径b2——叶轮出口宽度β2——叶片出口安放角Ft——蜗壳喉部面积

在原始面积比值Y=3.32的基础上，保持蜗壳其它的参数不变，仅改变蜗壳喉部面积，设计4种蜗壳与同一叶轮匹配，各面积比值如表1所示。

表1 各方案面积比值

3 数值计算方法

3.1 网格划分及计算模型

模型泵计算域网格如图1所示。

图1 结构网格示意

计算域包括4个部分：进口、叶轮、蜗壳和出口。对求解域进行六面体结构网格划分，并对网格进行局部加密。为减小网格数量对计算的影响，进行了网格无关性检验，最终所选网格总数为3.1×106。

3.2 数值计算方法及边界条件

定常计算采用RNG k-ε湍流模型，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法。边界条件采用速度进口和压力出口，壁面采用无滑移壁面函数。

为了验证数值计算的精度，对面积比值Y=3.32的模型泵进行性能测试。图2给出了面积比Y=3.32时模型泵的性能参数的数值计算结果与试验测试结果的对比。通过对比发现试验值与计算值在设计点的扬程误差约为3.4%，因此可以认为所采用的计算方法可以捕捉到泵内主要流动结构。

图2 试验值与计算值对比

非定常计算时，采用大涡模拟方法，并采用亚格子Smagorinsk-Lilly模型使方程封闭[9～11]。将定常计算结果作为非定常计算的初始条件，取叶轮旋转1°作为一个时间步长，即Δt=1.149×10-4s，每计算360°为1个叶轮旋转周期。

为了获得不同面积比对离心泵压力脉动信号的影响，在叶轮的中间截面布置12个监测点，监测点位于直径D=275 mm的圆上。计算过程中每计算1°记录一次压力信号，监测点位置如图3所示。

图3 压力监测点布置

4 结果分析

4.1 水力性能

水力性能对比如图4所示。从图4(a)可以看出，面积比对离心泵的扬程具有显著的影响，当面积比Y=3.04和Y=3.68时，扬程在全工况范围内波动较小。与原始泵相比，设计工况下，Y=3.04时的扬程增加了1.28%，Y=3.62时的扬程降低了1.1%， 而当Y=4.15时，扬程出现显著的降低，降幅达7.34%。从图4(b)可知，面积比对效率影响较大，改进设计泵的最高效率出现偏离设计工况现象。Y=4.15和Y=3.68时偏小流量工况，而Y=3.04时则偏大流量工况，这与文献[12]的结论“减小蜗壳喉部面积，在小流量工况时水力损失较小，泵的最高效率向小流量工况偏移”相一致。与原始泵相比，设计工况下，Y=3.04时的泵效率增加了0.83%，Y=3.68时的泵效率基本保持不变，而Y=4.15时的效率显著降低，降低7%左右。

(a)Φ-ψ

(b)Φ-η

4.2 叶轮径向力分布

叶轮径向力对轴系振动有显著影响[13～18]。图5给出了不同面积比时叶轮径向分力的分布特征。

(a) 0.8 Qd

(b) 1.0 Qd

(c) 1.2 Qd

小流量0.8Qd工况下，Y=4.15时在各流道出口所受径向力最大，Y=3.68时则最小。

设计工况下，随着面积比值的增加，每个流道所受径向力基本呈增加趋势，即Y=3.04时最小，Y=4.15时最大；大流量工况下，不同面积比所受径向力的分布规律与设计工况下基本相同，即Y=3.04时最小，Y=4.15时最大。

图6所示为叶轮所受径向合力随流量的变化特性，将径向力进行无量纲化处理，表达式如下：

(2)

式中FRi——各面积比方案在不同工况下的径向力

FRj——原始泵在设计工况下的径向力

图6 叶轮径向力随流量的变化

各面积比条件下，径向力随着流量的增加呈现出先降低后增加的规律，径向力曲线存在一个最小值。但不同面积比值下的最小值不同且最小值所在的工况也不同。Y=4.15时，径向力的最小值出现在Φ=0.02～0.035之间；Y=3.68和Y=3.32时，径向力最小值出现在Φ=0.03～0.045之间；Y=3.04时，径向力的最小值出现在Φ=0.04～0.05之间，这与各面积比下的最高效率点的分布较为吻合。在设计工况下，相比原始泵(Y=3.32)，面积比Y=3.04时的模型泵叶轮径向力降低了35.1%，相反，Y=3.68与Y=4.15时的叶轮径向力分别增加了约26.8%和99%。

4.3 压力脉动分析

引入压力系数Cp，其表达式为：

(3)

式中 Δp——每一个时间步长的压力值与平均压力之差

图7给出了θ=60°测点不同面积比的压力脉动频谱对比。由于叶轮转速为n=1450 r/min，所以轴频fn=24.2 Hz，叶频fBPF=6fn=145 Hz。从频谱图上可以看出，叶频及其谐波所对应的脉动幅值在整个频谱中占据主导地位。不同面积比值下泵的压力脉动频谱差异显著，可以看出Y=4.15时的叶频压力脉动幅值远大于Y=3.04时的压力脉动幅值。

图7 压力脉动频谱对比

图8给出了蜗壳圆周方向12个测点处，不同面积比下叶频处的脉动幅值对比。从图可以看出,随着面积比值的增加，即随着喉部面积的减小，压力脉动幅值越大，当Y=3.04时，压力脉动幅值最小。随着角度的增加，叶轮与蜗壳之间的径向间隙逐渐增加，动静干涉作用逐渐减弱，因此压力脉动幅值呈现逐渐下降的趋势。随着角度的增加，各面积比在同一角度上的差值逐渐降低。

图8 不同测点叶频处压力脉动幅值对比

为了评价面积比对整泵的压力脉动水平的影响，引入压力脉动降低率ΔCp，其表达式为：

(4)

各方案的压力脉动系数及压力脉动降低率如表2所示。

表2 叶频处的平均压力脉动幅值

当Y=3.68和Y=4.15时，压力脉动水平分别增加21.88%和50%。而当面积比值减小时，压力脉动幅值降低显著，当Y=3.04时，整泵脉动幅值降低约18.75%。

5 结论

本文针对具有不同蜗壳喉部面积的模型泵展开数值计算，分析不同喉部面积对泵性能的影响，得到以下结论：

(1) 不同面积比对离心泵水力性能具有明显影响，在设计工况下，随着面积比增加，扬程和效率逐渐降低；而在非设计工况下，Y=4.15时在小流量工况下效率较高，而Y=3.04时的最高效率点偏大流量工况。

(2)叶轮所受径向合力在全工况范围内存在一个极小值，但不同面积比下径向力的极小值出现在不同工况。Y=3.04时，径向力的极小值约出现在设计工况，且该径向力为四个方案中最小；而其它面积比下，最小值则出现在小流量工况。

(3) 通过压力脉动分析，认为采用合理的面积比能有效的降低泵内的压力脉动水平。在设计工况下，当Y=3.04时，压力脉动水平降低了18.75%；相反，Y=3.68和Y=4.15时，压力脉动水平分别增加了21.88%和50%。

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Research on the Influence of Volute Throat Area on Unsteady Characteristics in a Centrifugal Pump

CHEN Ying1；LI Guo-ping2；ZHANG Ning3；DU Wen-qiang3；GAO Bo3

(1.The Navy Martial Commissary Office Stationed at Wenzhou,Wenzhou 325000，China；2.704th Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation，Shanghai 200031，China;3.Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

For a given impeller,four pumps with different volute throat areas,were calculated based on numerical simulation method.Unsteady flow characteristics of the pumps were obtained.The influences of throat area on hydraulic performance,radial force and pressure pulsation were discussed.Results show that throat area has a great effect on the pump hydraulic performance.The head and hydraulic efficiency decrease with throat area decreasing at nominal flow rate.The radial forces of four impellers differ significantly at various flow rates,which would reach a minimum value.But the corresponding flow rates of the minimum points are different.The reasonable throat area could effectively reduce the amplitude of pressure pulsation,and it would increase with the throat area decreasing.Meanwhile,pressure pulsation energy decreases with the throat area increasing.The obtained results would provide some supports for low noise centrifugal pump design considering different throat areas.

centrifugal pump;volute throat area;hydraulic performance;radial force;pressure pulsation

1005-0329(2017)02-0038-05

2016-08-31

TH313

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.008

陈颖(1979-)，男，副总代表工程师，主要从事舰船监造及关键设备研发工作。

张宁(1987-)，男，博士，通讯地址：212013 江苏镇江市江苏大学能源与动力工程学院，E-mail：zhangningwlg@163.com。