离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

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离心泵是--种量大面广的通用机械，其内部流动为复杂的三维非定常湍流，常伴有流动分离、空化、水力振动等影响离心泵稳定运行特性的现象，其中叶轮与蜗壳的动静干涉作用是造成离心泵内部流动不均匀及离心泵流动诱导振动的重要原因 -3].Barrio等 ，Gonzlez等 I6]，祝磊等 通过改变叶轮外径和隔舌芭角来改变叶轮与隔舌间隙，通过数值模拟和试验研究离心泵隔舌处压力脉动特性和径向力特性，表明叶轮与隔舌间隙的变化对离心泵压力脉动和径向力特性的影响很大；周岭等 分析了不同进 口边位置对深井离心泵性能及内部流场的影响.文献[10-11]分析了叶轮叶片数对离心泵性能、振动与噪声的影响.上述文献主要研究了叶轮与蜗壳之间的间隙对离心泵压力脉动和径向力影响及叶轮进 口边、叶轮出口盖板形状对离心泵性能影响，但是针对叶片出口边倾斜角对离心泵性能及振动影响的研究较少。

文中利用Fluent数值模拟软件对同-蜗壳匹配出口边不在同-轴面上的叶轮进行非定常数值模拟，重点研究叶轮出口边倾斜角对离心泵压力脉动的影响。

1 离心泵基本参数及数值模型离心泵基本参数：Q为流量，200 m /h；H为扬程，32 m；n为转速，1 450 r/min.设计参数：D，为叶轮外径，330 tTlm；Z为叶片数，6个；D；为进口直径，150 mm；b 为叶片出口宽度，23 mm.文中采用出口边倾斜角 不同的叶轮匹配同-蜗壳，即模型 1为y90。，模型 2为 75。，其中在设计叶轮时保证其基本参数和叶片芭角的变化规律不变，通过改变叶轮出口边倾斜角 以改变叶片型线.图 1，2分别为不同叶片出口边倾斜角的叶片流线展开图和三维模型。

图 1 不同叶片出口边的叶片流线展开图Fig.1 Blade streamline development schematic fordiferent trailing edges 图2 不同叶片出口边的叶轮三维图Fig.2 3 D model of impellers with different trailing edges采用 Gambit软件对模型进行前处理得到四面体混合网格，在叶片周围、蜗壳隔舌处进行网格加密；进 口段、叶轮、蜗壳、出 口段 网格数 分别为131 863，1 081 652，1 956 381，118 635.湍流模型采用 SST k-∞模型，稳态计算边界条件采用速度进口边界条件，出流出口边界条件，壁面无滑移边界条件；瞬态计算以稳态计算为初始条件，叶轮每转过3。为 1个时间步，时间步长取0.000 344 827 S，每个周期迭代 120步，迭代 4个周期.在2种模型离心泵叶轮中心的出口外直径为 340 mm圆周处设置 8个压力监测点(C ～C )，以第 1断面位置(C 点)为0。，每隔45。设置 1个监测点，C。是蜗壳隔舌处的监测点，图3为压力监测点示意图。

图3 压力测点示意图Fig.3 Sketch of pressure monitoring points2 计算结果分析图4所示的2种模型离心泵外特性曲线.由扬程流量曲线可知，2种模型离心泵扬程流量曲线都比较平坦，在小工况至设计工况时扬程流量曲线基本重合；在设计工况至大工况时模型2扬程稍大于模型 1.由效率流量曲线可知，在整个工况下，模型2的效率稍大于模型 1；模型 2的高效区大于模型 1，由此说明叶轮出口边对离心泵的水力性能有-定影响，但影响较小.由模型 1试验值和数值模拟值可知，数值模拟值与试验值较接近，说明文中所采用l 371 l 的数值模拟方法对该模型泵外特性的预测有-定的参考性。

- 模型1- 模型2ts(a)0.6QFig.5图5，6分别为监测点 C ，C 压力脉动时域曲线.从图中可以看出，2种模型离心泵的监测点 C 和C 压力脉动波动幅值周期性变化很明显；在 0.6Q工况时2种模型离心泵的监测点 C 压力脉动幅值非秤近；在0.6Q～1.2Q工况下模型2的监测点C 压力脉动波动幅值明显小于模型 1.产生以上现象的主要原因：由于模型 1中叶片出口边倾斜角为9O。，叶片扭曲只在其进口部分，而模型 2中叶片出口边倾斜角为 75。，其叶片从进 口到出口都呈现扭曲，因此模型 1中叶片包角小于模型 2中叶片包角，而较小的叶片包角能降低叶片对流体的控制能力和液流的稳定性；在 2种模型离心泵中监测点 C 的压力脉动幅值小于监测点 G ，产生此现象的主要原因 ：沿叶片旋转方向靠近隔舌的点受叶片旋转射流/尾迹”影响显著，压力脉动较剧烈；而在蜗壳内部，蜗壳型线变化平缓对液体的排挤作用较稳定，压力脉动较小，说明叶轮与蜗壳的动静干涉在蜗壳内的传播受蜗壳几何形状影响比较明显。

y y - - (b)1.0Q图5 不同工况下监测点 C 压力脉动时域曲线Pressure fluctuations at C1 under diferent operating conditions- 图6 不同工况下监测点 C 压力脉动时域曲线Fig.6 Pressure fluctuations at Cs under different operating conditions图7为监测点 C。压力脉动时域曲线.从图中可以看出，2种模型离心泵监测点 C。压力脉动幅值呈周期性变化，但是在 0.6Q工况时压力脉动幅值波动较剧烈.产生此现象的主要原因是在小工况下，泵内湍流强烈的不规则运动；在 0.6Q～1.2Q工况下模型 2中监测点 c。的压力脉动幅值波动要远小于模型 1，进-步说明叶轮出口边倾斜角对离心泵压力脉动幅值存在-定的影响.图 8为监测点 C 压力脉动频域特性曲线.由图可知在工况1.0Q，1.2Q时压力脉动的频率以叶片通过频率为主，且随流量的增大压力脉动幅值增大，压力脉动幅值波动最大的是模型 1；在0.6Q工况下，低于 1倍叶片通过频率的低频脉动占据主导地位；在 0.6Q，1.0Q，1.2Q工况时模型2在高频区的压力脉动幅值明显低于模型1。

0.050.040.030.02O叭0- O 01- 0.02. 0.0300240 0l80 0120 0060.030.020.01O- 0.01- 0.02. 0.03- O.040125 0.135 0.145 0.155 0165 0125t/s(a)0.6Q0135 0145 0.155 0165t/s(b)1 0Q图7 不同工况下监测点 c 压力脉动时域曲线Fig.7 Pressure fluctuations at C9 under diferent operating conditions0 290 580 870 1 160 1 450tz(a)0 6Q3 结 论型10 290 580 870 1 l60 1 450，7Hz(b)1.0Qt(c)1 2Q0 290 580 870 l l6O 1 450Hz(c)1 2e图8 不同工况下 C。监测点压力脉动频域Fig.8 Frequency spectra of pressure fluctuation at C9 under diferent operating conditions1)2种模型离心泵的扬程流量曲线在小工况时非秤近，在设计工况至大工况时模型2的扬程要稍大于模型 1；在整个工况下，模型 2的效率稍大于模型 1，且效率高效区较宽，说明叶轮出口边倾斜角对离心泵的水力性能存在-定的影响，但是影响不大；模型 1的试验值与数值模拟值比较吻合，说明数值模拟结果比较准确。

2)在不同工况下，2种模型泵中的压力脉动幅值波动趋势-致，呈周期性波动.模型 2中 C。，C ，C。的压力脉动幅值远小于模型 1，且在隔舌处的监测点 C。高频区的压力脉动幅值明显低于模型 1，说明叶片出口边倾斜角对降低离心泵的压力脉动有- 定的影响。