轴伸贯流泵多工况下的压力脉动特性

吴东磊，郑源*，薛海朋，戴庆云，张玉全，刘卫东

(1. 河海大学能源与电气学院， 江苏 南京 210098；2. 江苏省秦淮河水利工程管理处， 江苏 南京 210001)

贯流泵具有低扬程、大流量的特点[1]，广泛应用于排涝防洪、抗旱救灾以及农田灌溉等领域.随着对输水工程以及灌溉排涝的要求越来越高，对贯流泵自身的性能也提出了更高的要求.国内外学者针对不同类型的泵内部流场以及流动特性做了大量的研究.施卫东等[2]为了获得轴流泵的压力脉动特性,对轴流泵全流场进行了非定常数值计算,并分析不同的采样频率和采样时间对计算结果的影响.周颖等[3]对南水北调东线工程某泵站机组进行了全流道数值计算，研究泵站机组在反向发电工况时的压力脉动及应力分布规律.郑源等[4]采用物理模型试验方法，研究了轴流泵内部压力脉动在不同叶片安放角度和扬程下的变化规律及特性,并进行了幅值和频谱分析.姚志峰等[5]在研究双吸离心泵压力脉动特性时发现流道喷涂可有效降低水力损失.周勤等[6]采用动网格技术模拟了水轮机甩负荷工况时的瞬时变化情况,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化规律及其演变的内流机理.汤方平等[7]应用数值计算的方法获得了轴流泵内的压力脉动变化情况,并通过与实测扬程和效率的对比,证明了数值计算方法的可行性及可靠性.

泵内部流场流动复杂，压力脉动试验研究具有测量困难、周期长、成本高等不利因素.以往相关的研究成果主要集中在离心泵[5]、轴流泵[8-9]和混流泵[10-11]，而涉及轴伸贯流泵的研究则相对较少，尤其是对多工况下轴伸贯流泵内部流场压力脉动特性的研究鲜见文献报道.文中以江苏南京某泵站轴伸贯流泵为研究对象，采用三维湍流数值模拟并结合真机试验，对多工况下轴伸贯流泵内部流动特性进行研究，通过对比不同工况下泵内部压力脉动变化，揭示轴伸贯流泵内部真实的压力脉动分布特性，为机组维护和泵站安全运行提供一定参考.

1 数值计算及试验验证

1.1 计算模型及网格划分

轴伸贯流泵计算模型包括进水流道、前置导叶、转轮区、后置导叶以及出水流道.泵主要设计参数分别为设计流量Qd=10 m3/s，设计扬程H=2.5 m，额定转速n=250 r/min，叶轮直径D=1.7 m，转轮叶片数Z=4.图1为模型泵计算流道，计算域包括进水流道、前后导叶、转轮以及出水流道.

图1 轴伸贯流泵模型全流道

采用ICEM CFD软件进行网格划分，考虑模型的复杂结构以及计算机资源的有效利用，选择非结构化网格，并采用边界层网格捕捉近壁区流动.对转轮及导叶部分等关键部位进行局部加密，经无关性验证，当网格数373万时，扬程波动小于1%，此时各主要过流部件划分网格单元数分别为进水流道298 985，前导叶体363 400，转轮体2 139 958，导叶体680 684，出水流道255 798，共计3 738 825个网格单元，网格质量控制在0.6以上.

1.2 计算方法及边界条件

采用三维雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型描述轴伸贯流泵内部流体的湍流流动.采用质量流量进口，出口设置为自由出流边界条件.固体壁面采用无滑移条件.先对模型进行稳态计算，在稳态计算结果上再进行非稳态计算，计算残差设为10-4.在对轴伸贯流泵各工况下进行非稳态计算时，转轮体区域采用滑动网格技术.设置非定常计算的时间步长为0.005 s，采样时间为10个周期.

1.3 监测点布置

前导叶进口截面沿径向均匀布置2组监测点，分别为a1，a2，a3，a4；在叶轮进口沿轮毂到轮缘的方向均匀布置2组监测点，分别为b1，b2，b3，b4；在转轮出口沿径向布置2组监测点，分别为c1，c2，c3，c4；在导叶出口沿轮毂到轮缘的方向，均匀布置2组监测点，分别为d1，d2，d3，d4.各监测点布置如图2所示.

图2 监测点布置

1.4 真机试验

秦淮新河水利枢纽位于南京市雨花台经济开发区秦淮新河入江口处.泵站现有5台卧式轴伸贯流泵，平面“S”型流道，设计流量50 m3/s，通过改变叶轮转动方向，可实现灌排两用功能.

选择5号机组安装试验仪器进行测量，真机测试转速为250 r/min.选用昆山御宾电子科技有限公司提供的HPT900高频动态压力传感器，精度0.5%.压力传感器实物及布置如图3所示.

图3 测试用压力传感器实物及布置

图4为贯流泵压力脉动时域及频域试验数据与数值模拟结果的对比，可以看出：数值模拟所得结果和试验数据吻合良好，试验与数值模拟在转轮前段的压力脉动时域信号波形一致，幅值相同，周期性规律也很好吻合；在前导叶前段略有误差，但波形一致，幅值略有偏差.这表明该数值计算方法是可靠的.

图4 数据对比

2 压力脉动时频域分析

2.1 时域分析

图5为各截面监测点在不同工况时的压力脉动时域图，可以看出，各截面监测点的压力脉动都呈一定的周期性变化.

在转轮进口截面上，一个周期内存在4个波峰和波谷，这与转轮叶片数相同.小流量工况时，负压过大，运行极不安全，易损坏叶片.在转轮出口截面，受无叶区动静干涉影响，流体流动复杂，尤其在小流量工况，压力脉动峰值较大，波形杂乱.在导叶出口截面，受进口处动静干涉影响，同时在导叶区内流体撞击导叶，压力脉动存在明显抖动.在前导进口截面上，设计工况下的压力脉动变化相对平稳，而在小流量工况下，压力脉动仍抖动明显.

图5 时域图

在贯流泵转轮和导叶之间，由于受动静干涉的影响，流体流动较为紊乱，压力脉动变化剧烈.在转轮出口截面，由于受动静干涉的影响，流体流动变得十分紊乱，尤其在小流量工况下，各监测点的压力脉动变化剧烈，随着监测点远离这一区域，转轮和导叶的动静干涉作用逐渐减弱，压力脉动幅值也逐步减少.

2.2 频域分析

采用快速傅里叶变换(FFT)分析各监测点压力脉动的频率成分，如图6所示.

由图6a可以看出：前导叶进口截面各监测点在大流量工况和额定流量工况下压力脉动的主频为转频，而在小流量工况下，流动较为紊乱，压力脉动的主频为叶片通过频率，在低频段脉动频率成分复杂，出现了不同程度的次频波；在大流量工况和额定工况下，在频率5～20 Hz都有不同程度的次频产生，其中在16.5，20.8 Hz附近的次频最为明显，与叶片通过频率和前导叶通过频率相同.

图6 频域图

由图6b可以看出：转轮进口截面各监测点在各流量工况下的压力脉动主频为叶片通过频率；在小流量工况下，流动相对紊乱，低频波段脉动频率成分复杂，出现不同程度的次频波；在额定工况下，流动平稳，主要受叶片通过频率的影响，基本未受到转频和前导叶通过频率的影响；在大流量工况下，在4.2，20.8 Hz附近的次频最为明显，与转频和前导叶通过频率相同.

由图6c可以看出：转轮出口截面各监测点在各流量工况下的压力脉动主频依然为叶片通过频率；在小流量工况下，流动比较紊乱，低频段压力脉动频率较为复杂，在近轮毂处的监测点c1，c3处的压力脉动频率主频为转频，而近轮缘处的监测点c2，c4处的压力脉动频率主频为叶片通过频率；在大流量工况和额定工况下，低频段出现明显的次频，频率为4.2 Hz.

由图6d可以看出：导叶出口截面处在小流量工况下，流动极为紊乱，低频段压力脉动极为复杂，截面各监测点的主频不明显，波动剧烈且幅值相近，出现了不同程度的次频波；在大流量工况和额定工况下，流动变得较为稳定，各监测点的压力脉动主频为转频，在16.5，20.8 Hz附近的次频最为明显，与叶片通过频率和前导叶通过频率相同.

2.3 压力脉动分析

图7为各截面在不同工况下的压力脉动云图.由图7a可以看出：随着流量的增大，前导进口截面的压力也增大；进口截面上，近轮毂处压力脉动较低，而在轮缘处压力较高；压力脉动分布与前导叶数有关，各流量工况下分布规律一致，在前导叶进口处压力脉动明显升高，前导叶近轮缘处的压力脉动最高.由图7b可以看出：不同工况下转轮进口截面上分布着4个高压区和4个低压区，在相邻2个高、低压区之间是转轮叶片水流进口处，由于水流进入转轮室的流动情况复杂，易产生回流，在进口处形成一个高低压并存的区域；在低压区压力脉动急剧下降容易产生空化，对转轮叶片造成破坏，同时受水体流动压力脉动的剧烈变化容易产生振动，引起叶片损坏，尤其在小流量工况下，高低压波动剧烈，低压急剧下降，极易产生空化，对叶片形成破坏.

图7 瞬时压力分布

由图7c可以看出：水流从转轮室流出，受到转轮叶片和导叶的影响明显，近轮缘处压力脉动较高，而在近轮毂处压力脉动偏低；在小流量工况下，存在4个明显的低压区，压力脉动分布和转轮叶片数有关；随着流量的增大，截面上出现了7个高、低压并存区域，压力波动明显，容易产生振动，影响机组的稳定运行，同时也会影响到转轮叶片和导叶的损坏.由于转轮叶片与导叶片之间动静干涉作用会影响压力脉动，从而引发严重的水力激振，对机组造成极大的破坏，在机组运行时应避免小流量工况.机组在设计工况下运行，可以有效消除转轮叶片和导叶片之间的动静干涉对压力脉动的影响.

3 结 论

1) 基于三维雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型，对低水头下轴伸贯流泵压力脉动的数值模拟方法是可靠的，预测得到的设计工况下转轮进口截面的压力脉动主频与现场试验结果相符，说明文中数值模拟计算结果可信度高.

2) 轴伸贯流泵转轮区在不同流量工况下压力脉动主频均为叶频，在前导叶进口及导叶出口处压力脉动主频为转频.转轮进、出口截面监测点由于靠近转轮旋转压力场，压力脉动周期性变化规律好，时域波形的波峰和波谷数与转轮叶片数相同.

3) 在转轮和导叶之间区域，受无叶区动静干涉影响，流动较为紊乱，压力脉动波动明显.由于流体在导叶中的撞击和回流，压力脉动频谱波动剧烈，尤其是在小流量工况下更为明显，存在明显的抖动，运行时应尽量避免在这一工况区下运行.