叶片交错布置对水泵蜗壳内部流动影响

（湖北汽车工业学院 理学院，湖北省十堰市 442002）

0 引言

双吸离心泵在大型调水工程、农田灌溉和城镇供水等重要领域有着广泛的应用。随着南水北调工程的开展，双吸离心泵正朝着大型化的方向发展，例如惠南庄泵站所采用的双吸离心泵叶轮直径高达1.75m，单机功率达到7500kW[1]。双吸离心泵尺寸的不断增大，功率增加，其运行稳定性问题就更加突出，在泵的内部流动存在较强的压力脉动，容易诱发机组的振动和噪声[2，3]。

离心泵压力脉动研究表明，离心泵内部动静部件的干涉作用和叶轮出口处的“射流—尾迹”是产生较大压力脉动的主要根源[4，5]。为了降低压力脉动，很多学者提出了诸如适当改变隔舌位置与叶轮出口之间的间隙及隔舌形状、调节运行工况等办法来控制和改善离心泵的压力脉动情况[6-8]。将双吸离心泵叶轮两侧叶片均匀交错布置形式已经在惠南庄泵站得到了应用，并有效降低了压力脉动。Spence等[9]运用CFD软件研究了一台双蜗壳双吸离心泵的压力脉动特性，考虑了对称布置、15°交错布置和30°交错布置，结果也证实了叶轮布置形式对压力脉动影响较大。姚志峰等[10]采用试验方法通过对五种不同形式叶轮分别安装到相同的双吸离心泵泵体内进行压力脉动性能测试，表明叶轮交错布置可以有效降低压力脉动。但是对叶轮交错布置角度的变化降低压力脉动的机理，以及对水泵性能的研究还比较少。要揭示其内部机理，就必须对蜗壳内部的流动特征进行分析。

为此，本文采用大涡模拟法，对双吸离心泵在不同叶片交错角度下的内部流场进行非定常数值模拟，重点分析叶片交错角度变化对离心泵蜗壳内部非定常流场的影响。

1 计算模型

本文选取的试验对象为一台双吸离心泵，主要结构参数为：叶轮进口直径D0=700mm，叶轮外径D2=1200mm，叶片数＝6；主要性能参数为：额定流量Q=10800m3/h，扬程H=32m，转速n=490r/min。为了研究叶轮不同交错角度对双吸离心泵性能的影响，本文共选取了5组对应的交错角度分别为10°、15°、20°、25°、30°，其中对称布置的叶轮和均匀交错的叶轮如图1所示。

图1 不同交错角度叶轮Fig.1 Impeller at different angles

2 数值计算方法

双吸离心泵的计算域包括吸水室、叶轮和蜗壳。由于几何模型复杂，故采用基于六面体和四面体单元的混合网格生成技术对模型进行划分，并对吸水室半螺旋段、叶片、隔舌区域进行网格局部加密，计算域及网格如图2所示。最后生成的网格单元数为248万，节点数229万。对于不同交错角度下的网格划分采用相同的策略，网格单元数基本相同。

图2 双吸离心泵计算网格Fig.2 Computational grid of double suction centrifugal pump

本文采用大涡模拟方法作为湍流模型来研究双吸离心泵内部湍流压力脉动，并采用Dynamic Smagorinsky-Lily亚格子尺度模型作为大涡模拟的SGS模型。其边界条件计算设置如下：在进口法兰处设速度进口，其值通过流量和进口过流面积确定；出口取在泵出口法兰处，设置为自由出流，认为泵内流动在出口部分已经达到充分发展状态；对于泵内转子部件和定子部件之间的交界面，引入滑移网格技术进行处理；固壁采用无滑移壁面条件。

采用稳态RANS定常计算结果作为非定常计算的初始流场。采用有限体积法对瞬态控制方程进行离散，非耦合隐式方案进行求解，对流项离散采用二阶迎风格式，压力项离散采用对高雷诺数的高速强旋流更有效的PRESTO差分格式。压力和速度的耦合求解采用非定常计算的PISO算法。为了得到足够分辨内部流场的非定常信息，计算时间步长取为3.4×10-4s，每60个时间步为一个叶片通过周期[6]。

本文将在泵的设计工况下，分别对5种隔舌间隙进行数值计算。压力脉动的监测面和监测点需要设定在流道中压力脉动具有代表性的位置，故在蜗壳壁面共设置了8个压力脉动监测点，如图3所示。

图3 压水室表面压力脉动监测点设置示意图Fig.3 Schematic diagram of pressure fluctuation monitoring points on the surface of pressure water chamber

3 结果分析

3.1 外特性预测

计算得到泵的流量扬程及流量效率曲线，如图4所示，并与试验数据进行了比较。由图可知，预测结果与试验结果在趋势上完全一致。其中，效率计算值在小流量工况下比试验值略低，在大流量时比试验值略高，但与试验值相比不超过5%；而扬程计算值在小流量时略低于试验值，在设计流量及大流量下与试验数据吻合较好，最大相对误差不超过3%。可见，该模型能够比较准确地预测了该泵的外特性，也为进一步的预测分析提供了保证。

图4 外特性曲线Fig.4 External characteristic curve

3.2 不同隔舌间隙情况下的外特性对比

设计流量下水泵的扬程随交错角度的变化情况如图5表示。由图可以看出，随着交错角度的增大，扬程和效率均有所下降，这是因为交错之后，叶轮两侧出口流动相互掺混，水力损失增大。

图5 设计工况下不同交错角度对外特性的影响Fig.5 Influence of different stagger angles on external characteristics under design conditions

3.3 蜗壳内部流场分析

在设计工况下，选择一个典型时刻t1，即叶片出口边距隔舌最近的时刻，研究叶片交错角度变化对泵内压力和速度分布的影响。图6所示为设计工况下t1时刻，蜗壳内部流场分布。由图可知，蜗壳内的压力分布随着流动方向逐渐增大，受叶片交错角度变化的影响不大。但是它对蜗壳内部的涡结构有明显影响。随着叶片交错角度的增大，蜗壳内部旋涡不再保持对称，旋涡大小和强度也略有降低。

图7所示为不同叶片交错角度下，隔舌区域的涡结构特征。由图中可以看出，三种叶片交错角度下，当角度增大时，隔舌处的涡结构上下不一致，相互影响抵消，从而涡结构强度和大小减弱。

图7 不同交错角度下隔舌区域涡结构分布Fig.7 Vortex structure distribution in the tongue with different cross angles

3.4 压力脉动特性分析

设计工况下，不同叶片交错角度监测点C1的压力脉动时域图如图8所示。从压力变化波形来看，随着叶片交错角度的增大，脉动幅度逐渐减小。当均匀交错时，脉动幅度最小，约为0°时的75%左右。

设计工况不同隔舌间隙下监测点C1处的压力脉动频域特性如图9所示。由图可见，主导泵内压力脉动的频率依然是以叶片通过频率。叶片交错角度在变大过程中，压力脉动幅值呈现逐渐变小的趋势。当均匀交错时，脉动幅度最小，与0°时相比，脉动幅值降低了约70%。

图6 不同交错角度下蜗壳内部涡结构分布Fig.6 Vortex structure distribution in the spiral case with different cross angles

图8 不同交错角度下C1处压力脉动时域图Fig.8 Time domain diagram of pressure fluctuations at point C1 under different stagger angles

图9 不同交错角度下C1处压力脉动频域图（Q =Qd）Fig.9 Frequency-domain diagram of pressure pulsation at C1 under different stagger angles

4 结束语

本文采用大涡模拟方法，对双吸离心泵叶轮不同交错角度下的内部流场进行了数值模拟，并着重对蜗壳内的流场特性及压力脉动特性进行了重点分析，初步得到以下结论：

（1）随着交错角度的增大，双吸离心泵效率和扬程与对称布置的叶轮相比，整体上略有下降。

（2）叶片交错角度变化对蜗壳内压力内部的横向流动也有一定影响，随着叶轮交错角度的增加，横向流动的旋涡面积和强度减小。

（3）不同交错角度下，蜗壳内压力脉动频域值均以叶片通过频率为主，并且随着交错角度的增大，双吸离心泵效率和扬程整体上略有上升。

[1] 戚兰英，戴昆，蒋瑞，等. 惠南庄泵站水泵调速运行的合理性分析 [J]. 水利水电技术，2009，40（7）：70-75.QI Lanying，DAI Kun，JIANG Rui，et al. Analysis on rationality of speed-regulating operation of pumps in Huinanzhuang pumping station[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，2009，40（7）：70-75.

[2] Yao Z，Wang F，Xiao R，et al. Experimental investigation of relationship between pressure fluctuations and vibrations for a double suction centrifugal pump[C]// ASME-JSME-KSME 2011 Joint Fluids Engineering Conference，2011：61-68.

[3] 姚志峰，王福军，肖若富，等. 双吸离心泵吸水室和压水室压力脉动特性试验研究[J]. 水利学报，2012，43（4）：473-479.YAO Zhifeng，WANG Fujun，XIAO Ruofu，et al.Experiment investigation on pressure fluctuations in suction chamber and volute of a double-suction centrifugal pump [J].Journal of Hydraulic Engineering，2012，43（4）：473-479.

[4] Hodkiewicz M. The effect of partial-flow operation on the axial vibration of double-suction centrifugal pumps[D]. Perth ：University of Western Australia，2005.

[5] Strickland M T，Scanlon T J，Par rondo J，et al. An experimental study on the unsteady pressure distribution around the impeller outlet of a centrifugal pump[C]// ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting，Transaction of ASME，Boston，Massachusetts，2000.

[6] 祝磊，袁寿其，袁建平，等. 不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟 [J]. 农业工程学报，2011，27（10）：50-55.ZHU Lei，YUAN Shouqi，YUAN Jianping，et al. Numerical simulation for rotor-stator interaction of centrifugal pump with different tongues[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27（10）：50-55.

[7] 瞿丽霞，王福军，丛国辉，等. 隔舌间隙对双吸离心泵内部非定常流场的影响[J]. 农业机械学报，2011，42（7）：50-55.QU Lixia，WANG Fujun，CONG Guohui，et al. Effect of volute tongue-impeller gaps on the unsteady flow in doublesuction centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42（7）：50-55.

[8] 冷洪飞，王福军，姚志峰，等. 双吸泵叶轮切削后效率下降机理及切削定律 [J]. 农业工程学报，2013，29（20）：67-73.LENG Hongfei，WANG Fujun，YAO Zhifeng，et al.Trimming law and mechanism of efficiency decrease in doublesuction centrifugal pump with cut impeller [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（20）：67-73.

[9] Spence R，Amaral-Teixeira J. A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump[J]. Computers & Fluids，2009，38（6）：1243-1257.

[10] 姚志峰，王福军，杨敏，等. 叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究[J]. 机械工程学报，2011，47（12）：133-137.YAO Zhifeng，WANG Fujun，YANG Min，et al. Effects of impeller type on pressure fluctuations in double-suction centrifugal pump[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47（12）：133-137.

[11] 葛军强. 水泵水轮机导叶间隙的影响因素及调整方法[J].水电与抽水蓄能 . 2016，2（1）：58-62.GE Junqiang. The influence factors and regulation means of pump-turbine wicket gate clearance [J]. Hydropower and Pumped Storage，2011，47（12）：133-137.

[12] 丁景焕，张建，凡家异，等. 运行工况对水泵水轮机尾水管进口压力的影响[J]. 水电与抽水蓄能，2016，2（2）：38-41.DING Jinghuan，ZHANG Jian，FAN Jiayi，et al. Effect on pressure in draft tube of different conditions [J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（2）：38-41.