混流泵内流场压力脉动特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军工程大学动力工程学院 作者:靳栓宝

  基于RANS方程和SST湍流模型,应用SIMPLEC算法,对混流泵内流场进行非定常数值模拟,分析了不同流量工况和不同转速工况时混流泵内4个代表性监测面上压力脉动的时域和频域特性。取非定常计算的功率平均值与试验值对比,证明该数值模型可较准确描述泵内流场特征。结果表明:混流泵内最大压力脉动在叶轮进口,从轮毂到轮缘脉动幅值递增;在叶轮进口和叶轮出口压力脉动频率主要为叶轮叶频,而导叶中间和导叶出口压力脉动频率与流量工况相关;偏离最优工况越远脉动越大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显;不同转速时最优工况压力脉动频率成分相似,脉动幅值随转速增加而增加。

  混流泵在农田灌溉、防涝排洪、城市供水等领域都有广泛应用。由于转动叶轮与静止导叶之间的相对运动、叶片导边的水流冲击、叶片随边的脱流、局部空化等都会引起混流泵内出现压力脉动,其主要危害是使机组振动加剧和噪声增大。为了改善混流泵运行的稳定性和安静性,很有必要对混流泵内流场的压力脉动特性进行深入研究。

  泵内流场压力脉动的试验研究具有测量困难、周期长、成本高等不利因素,压力脉动特性的相似理论尚未完善使得模型试验结果往往不能对实尺装置有效指导。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)的专家采用数值计算手段对离心泵、轴流泵的非定常流场开展了一定研究,而对混流泵压力脉动的研究则相对较少。

  本文对混流泵内三维非定常湍流进行数值模拟,以揭示混流泵内流场的压力脉动规律,为混流泵的结构优化和噪声控制提供参考。

1、计算对象和监测点选取

  研究对象为比转数ns=445的混流泵,其主要参数为:叶轮叶片数z=6,导叶叶片数z1=11,设计流量系数KQ=Q/(n0D3)=0.93,扬程系数KH=H/(n20D2)=0.35,Q为流量,n0为转速,D为混流泵标称直径,H为扬程。在叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面上各设置了5个压力监测点,沿径向均匀布置,如图1所示。

压力监测点的布置

图1 压力监测点的布置

结论

  (1)混流泵叶轮进口压力脉动最大,这是影响机组稳定和安静运行的关键。叶轮进口和叶轮出口压力脉动幅值从轮毂到轮缘递增,优化叶轮轮缘是改善压力脉动的有效手段。

  (2)混流泵叶轮进口和叶轮出口压力脉动主要频率为叶轮叶频;在最优工况和小流量工况,导叶中间和导叶出口的压力脉动以低频为主,而大流量工况依然是叶轮叶频占主导。为防止机组共振,应避免结构的固有模态与压力脉动频率接近或成整数倍。

  (3)运行偏离最优工况时混流泵内流场压力脉动增大,偏小流量对叶轮进口压力脉动影响明显。不同转速时的最优工况混流泵内压力脉动成分相似,压力脉动随转速增大而增大。

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