长短叶片结构对凝水泵出口压力脉动特性的影响

胡江，康灿*，邢志龙，张文斌

(1. 江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江212013; 2. 山东良成环保科技股份有限公司，山东 淄博 255095; 3. 中国船舶集团第七〇四研究所，上海 200031)

凝水泵是核电、海工、火电系统中的重要辅助装备，其能量性能、汽蚀性能和运行稳定性对整个系统有着重要影响[1-2].进入凝水泵的凝结水中往往含有大量气体，增加了泵内发生汽蚀的风险.汽蚀一旦发生，将对泵内正常流动造成影响，进而威胁泵的做功能力与过流能力.以往对凝水泵的研究集中于汽蚀性，通过改进过流部件几何形状提高其抗汽蚀能力，其中采用长短叶片结构被证实能够明显降低泵的必需汽蚀余量[3].凝水泵与其下游装备之间通过管道及附件进行连接，泵出口的压力脉动可能对下游装备产生影响.研究凝水泵及出口管道内的压力脉动特性对下游装备及整个系统的稳定运行具有重要意义.

对于凝水泵内的流动，采用计算流体动力学(CFD)方法能够对泵内非定常流动、汽蚀、压力脉动等进行分析.高波等[4]研究了叶轮-泵壳动静干涉引起的旋涡对泵内流场压力脉动的影响.WANG等[5]通过数值模拟方法探究了软管泵内的压力脉动产生机理.KANG等[6]采用试验和数值模拟相结合的方法，对泵汽蚀的发生机理进行研究，提出了改善泵抗汽蚀性能的过流部件结构方案.

采用长短叶片结构是减缓泵进口排挤、改善泵内流动的一种有效方法.张金凤等[7]对采用长短叶片结构的离心泵进行粒子图像测速(PIV)试验，分析了泵内的涡量分布、压力脉动特性以及动静干涉机理，认为长短叶片结构可有效抑制额定流量工况下泵内的动静干涉.SHIGEMITSU等[8]采用长短叶片对微型离心泵进行了流动和性能分析.

对于泵流道内压力脉动的测量，以往多采用在流道壁面开孔、埋入压力传感器的方法，测量得到的是贴近壁面流层内的压力脉动.采用探针测量，将干扰流场，也无法获得准确的压力脉动值.相比较而言，采用数值模拟的方法能够获得泵及管道内的压力脉动，进而描述非定常流动特征[9-10].

为探讨凝水泵出口管内的压力脉动特性及传播规律，文中采用2种长短叶片结构的叶轮，应用计算流体动力学方法对在不同流量工况下某凝水泵及出口管内的流动进行数值模拟，并进行对比分析，为采用长短叶片结构的凝水泵优化设计和提高下游装备运行稳定性提供一定的理论参考.

1 计算模型

1.1 几何模型

以某一凝水泵为研究对象，该泵设计性能参数分别为流量Qd=227 m3/h，扬程H=34 m，转速n=1 250 r/min.采用三维造型软件Siemens NX对泵内流动计算域进行建模，如图1所示.流动计算域由进口管、叶轮、径向导叶、环形压水室、出口管组成，液体由进水管流入，经叶轮旋转做功后依次流入径向导叶流道和环形壳体内流道，最后经出口段流出.

图1 凝水泵计算域模型

凝水泵叶轮叶片由长叶片和短叶片组成，长叶片与短叶片的数量相同，不仅缓解叶轮进口的排挤，而且可以阻止叶轮内二次流的产生.数值模拟中，叶轮分别采用5长5短叶片和3长3短叶片组合结构，2种叶轮的内外径均为240 mm和390 mm，如图2所示.

图2 2种叶轮的三维模型

对于5长5短叶片组合叶轮，短叶片进口边相对于长叶片向出口方向偏移24°，短叶片工作面出口边与长叶片背面出口边在圆周方向的夹角为36°.对于3长3短叶片叶轮，短叶片进口边与长叶片的进口边同轴面，且在圆周方向，短叶片出口边与相邻两枚长叶片出口边的夹角相等.

1.2 网格划分及其无关性验证

将建立的2种模型导入ICEM CFD软件进行网格划分，其中流体域采用非结构网格，并对叶轮叶片及导叶近壁区网格加密处理.设计6种网格数方案，以扬程偏差eH和效率偏差eη为判断指标，对5长5短叶片模型进行网格无关性验证，结果如图3所示.

图3 网格无关性验证

由图3可以看出，当总网格数增大至800万时，扬程与效率的偏差较小.综合考虑计算耗时及计算及配置，最终选择网格数约为832万的方案进行后续数值计算.对于3长3短叶片模型，最终选择的计算网格数约为730万.

1.3 数值计算方法

将凝水泵内的流体视为不可压缩连续介质，流动为湍流流动，其控制方程包括连续性方程、动量方程[11].数值模拟中不考虑温度变化的影响，为使控制方程封闭，采用雷诺平均涡黏湍流两方程模型中的RNGk-ε湍流模型.扩散项和对流项采用二阶迎风格式，速度压力耦合求解采用SIMPLE算法[12].

1.4 边界条件设置

叶轮区域采用旋转坐标系，转速为1 250 r/min.压水室区域采用静止坐标系.计算域进口设置速度进口边界条件，出口采用压力边界条件，各壁面均为标准无滑移条件.定义大气压为参考压力.计算收敛精度设为10-5.计算选取0.2Qd，0.6Qd，1.0Qd和1.4Qd共4种流量工况.取叶轮每旋转3°为一个时间步.在非定常计算过程中，选取出口管及其延伸段作为监测段，在凝水泵出口直管内，分别选取泵出口法兰处、距出口法兰4d(d为出口管直径)处、距出口法兰8d处3个监测点，各监测点均位于出口管轴心线上，如图4所示.

图4 泵出口管内的监测点分布

2 计算结果及分析

2.1 数值计算方法的试验验证

为验证数值计算方法的可靠性，对泵进行外特性试验对比.试验在中国机械工业离心泵重点实验室进行，所采用的凝水泵试验台如图5所示.

图5 凝水泵试验台

凝水泵试验台为一闭式回路，对原试验台的管路进行调整，以满足凝水泵的安装要求.该试验台的仪器、测试精度、介质等均符合GB/T 3216—2016标准中2级精度要求.

图6为采用5长5短叶片结构的凝水泵试验和定常数值模拟获得的特征流量工况点的扬程与效率对比，可以看出，整体上，试验与数值计算结果的趋势一致，且数值之间偏差较小，最大偏差小于5%.这表明文中所采用的数值计算方法是可靠的.

图6 数值模拟与试验结果对比

2.2 压力分布与外特性对比

图7为设计工况下2种叶片结构对应的泵流道内压力分布，可以看出：对于采用3长3短叶片结构的泵，长叶片进口处存在低压区，该处流动空间大，短叶片还未对流体做功，因此易产生汽蚀，可能会对泵稳定运行产生影响；相比较，采用5长5短叶片结构的叶轮进口处压力较高，流道内流动较为均匀，不规则流动结构较少，泵的做功能力较强；由于该凝水泵蜗壳为环形蜗壳结构，蜗壳至出口管段区域出现小面积的低压区，叶轮流道内的压力梯度明显.

图7 泵流道内压力分布

图8为试验得到的5长5短叶片结构和3长3短叶片结构的泵扬程与效率对比，可以看出：5长5短叶片结构的泵扬程和效率在各个流量工况条件下均高于3长3短叶片结构的对应值；在大流量工况1.4Qd下，2种叶片结构的泵扬程均明显减小；在额定流量工况1.0Qd下，3长3短叶片结构的泵扬程偏低，在实际运行中需要通过提高电动机转速增大扬程；根据高效区宽度，3长3短叶片结构的泵更适合于在偏小流量工况下运行.

图8 2种叶轮结构对应泵的外特性对比

3 泵出口管内的压力脉动

泵内流动结构复杂，在一定程度上影响泵出口管内的压力脉动[13].在非定常计算中，对出口管3个监测点进行压力脉动测量.选取第10个周期内的压力数据，采用快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换为频域信号[14].图9为采用5长5短叶片和3长3短叶片结构的泵出口管在不同流量工况下压力脉动幅值pA随频率f的变化.

图9 不同流量工况下泵出口管内压力脉动频域特征

由图9可以看出：2种叶轮结构的泵出口管压力脉动的特征频率均集中在1 000 Hz低频段内；在不同流量工况下，沿流动方向，自监测点P1至P3，压力脉动逐渐衰减，5长5短叶片的监测点压力脉动的主导频率为叶频fBPF(208 Hz)及其倍频；在小流量工况下，流动相对不稳定，故低频段内出现不同幅值的特征频率[15]；随着流量增大，5长5短叶片结构的泵出口管压力脉动幅值先减小后增大，在额定流量工况下达到最低，在1.4Qd流量工况下达到最高.

3长3短叶片结构的泵出口管内压力脉动特征频率亦为叶频fBPF(125 Hz)及其倍频，不同流量工况条件下的压力脉动较5长5短叶片结构更剧烈，且随流动向下游发展而减弱.在0.6Qd流量工况下，压力脉动幅值最低，这与5长5短叶片结构不同，而与最佳运行点偏离设计工况有关.在0.2Qd流量工况下，压力脉动幅值较高.随着流量增大到1.4Qd，3长3短叶片结构的泵出口管内高频脉动信号被激发，偏大流量工况运行导致非稳态流动激励加剧，压力脉动幅值相对较高，各监测点的主频保持为叶频fBPF及其倍频.

将3个监测点的压力脉动幅值最大值随流量的变化进行比较，如图10所示.

图10 不同流量工况下2种叶轮结构的泵出口管内最高压力脉动幅值比较

由图10可以看出：5长5短叶片结构的泵出口管内压力脉动幅值最大值随流量的变化较为平缓，在偏离设计流量工况下，压力脉动较强，在1.4Qd工况下压力脉动最强； 3长3短叶片结构的泵出口管内整体压力脉动幅值的极值较大，在1.4Qd工况下压力脉动也最强.

综合图9与图10可以判断，5长5短叶片结构的泵出口管内压力脉动整体表现较好.此外，长短叶片结构不仅影响叶轮流道内的流动状态，并且影响泵出口管内的流动.

为了更好地比较不同位置以及不同工况下的压力脉动整体变化特性，引入0～1 000 Hz频段的均方根压力脉动幅值pRMS，如图11所示.

图11 不同叶片结构的出口管内均方根压力脉动幅值比较

由图11可以看出：对于3长3短叶片结构，各监测点的均方根压力脉动幅值远大于5长5短叶片结构；在不同流量工况下，5长5短叶片结构的不同监测点的均方根压力脉动幅值分布较平稳，而3长3短叶片结构不同监测点间的均方根压力脉动幅值偏差较明显；在1.4Qd工况，2种叶片结构的均方根压力脉动幅值均达到最大，而3长3短叶片结构均方根的压力脉动幅值最小值出现在0.6Qd工况，这与5长5短叶片结构出现在1.0Qd工况不同.

4 结 论

1) 长短叶片结构与压力脉动的特征频率和均方根压力脉动幅值有强相关性，3长3短叶片结构的泵出口压力脉动更明显，变化更复杂.

2) 泵出口管内压力脉动整体上随着距叶轮距离增大而减弱，且位于泵出口法兰处的监测点出现低频脉动，3长3短叶片结构在1.4Qd工况下出现高频压力脉动.

3) 在不同流量工况下，5长5短叶片结构比3长3短叶片结构的泵出口管内整体压力脉动幅值较低.对于同一叶片结构，压力脉动幅值随流量而变化.