离心泵的压力脉动研究进展

文章编号:　1005—0329(2008)09—0033—05

技术进展

离心泵的压力脉动研究进展

刘　阳,袁寿其,袁建平

(江苏大学,江苏镇江　212013)

摘　要:　对离心泵的压力脉动进行了较为全面的阐述,总结出离心泵内压力脉动随工况的不同,表现为三类不同的压力脉动:随机脉动、叶频倍频脉动、轴频倍频脉动;分别从动静干扰、二次流和汽蚀方面阐述了压力脉动的研究现状;介绍了压力脉动在高效点的快速测定,汽蚀监测及故障诊断和故障预防等方面的应用情况。压力脉动的研究将为今后更精确地预测非定常流动诱发压力脉动提供理论依据。

关键词:　离心泵;压力脉动;叶频倍频;轴频倍频

中图分类号:　TH311 文献标识码:　A

O verv i ew of Pressure Fluctua ti on i n Cen tr i fuga l Pu m p

L IU Yang,Y UAN Shou2qi,Y UAN J ian2p ing

(J iangsu University,Zhenjiang212013,China)

Abstract:　Pressure fluctuati on of centrifugal pu mp s is revie wed.Its f or m s is different under different conditi ons,typ ical three p ressure fluctuati ons are random fluctuati on,blade2passing frequent fluctuati on and r otati on frequent fluctuati on;the p resent re2 search of p ressure fluctuati on induced by r ot or2stat or interacti on,secondary fl ow and cavitati on is intr oduced;the app licati ons of p ressure fluctuati on mensurati on at best efficiency point,cavitati on monit or and fault diagnosie and p reventi on are als o intr o2 duced.Theory basis will be given t o forecast accurately the p ressure fluctuati on induced by unsteady fl ow.

Key words:　centrifugal pu mp;p ressure fluctuati on;blade2passing frequence and har monics;r otati on frequency and har monics

1　前言

离心泵主要用来在某一流量下产生一个稳定的压力差以达到输送介质的目的,理想的流量与扬程曲线给人的感觉是在某一流量点扬程是静态的。事实上,泵在产生静态压力分量的同时还产生动态压力分量,也就是压力脉动。压力脉动象交流信号一样叠加在静态压力分量上。

离心泵内的压力脉动是极其复杂的,不同的离心泵可能表现不同种类的压力脉动,即使对同一台离心泵,当处于不同工况时也可能呈现不同性质的压力脉动。因此,离心泵内压力脉动的定义必须包含随机脉动和周期脉动两种。设p为离心泵内某点的压力,若对于任意的时间t和充分

大的周期T,有平均压力p—=1

T∫

t+T

t

p d t基本不随时间而变化。令p′=p-p—,则p—即为离心泵内某点的压力脉动。这些压力脉动是由叶轮进出口回流、汽蚀等非期望的流动特性形成的。

离心泵工作过程中,一定后缘厚度、一定数量的叶片会产生离散频率的压力脉动。而且偏工况时的脱流所引起的紊流,也会产生宽频带的压力脉动。宽频带的和离散频率的压力脉动都和进口、叶轮、静子(导叶或蜗壳)的水力设计有复杂

收稿日期:　2008—02—02

基金项目:　国家自然科学基金项目(50649029)

的关系。至今没有一个精确的理论来预测压力脉动的大小。

2　压力脉动的分类

对于液体至少有两种不同性质的压力脉动:不考虑压缩性的压力脉动,为紊流脉动;不考虑粘性的压力脉动,为脉源脉动。

水泵内紊流脉动基本上应是随机信号,而脉源脉动中却包含有规律信号,这一点通过认识流体在作规律性周期转动的泵转子内的流动不难看出。因此,不能贸然地说水泵内的压力脉动是随机信号或是有规律信号,而且对不同种类的泵在不同工况工作时所显示的性质可能大不相同。

当工况点不同时泵内的压力脉动表现为两种不同的形式:一种是混有周期信号的随机信号,还有一种是周期信号。就泵内压力脉动的成分而言则可以分为三类:一种是频率接近于白噪声的随机脉动,这种脉动可以认为是随机因素所引起的;一种是频谱为叶频倍频的规律性脉动,这种脉动可以认为是由于某种固定的因素所产生的,称为叶频倍频脉动;还有一种是频谱为轴频倍频的规律性脉动,称为轴频倍频脉动[1]。

3　压力脉动研究现状

3.1　动静干扰引起的压力脉动

叶轮和压水室产生干涉,并在叶轮下游产生压力脉动。叶轮和导叶之间径向间隙很小时,这种压力脉动的大小可能达到泵内总压的水平[2～4]。

D ring等指出动静干扰的两个直接机理:势流作用和尾流作用[5]。在转动的叶轮和静止的导叶间的相对运动引起的非粘性流产生了势流的效果;尾流来自于叶轮段,并向着导叶运动,会产生冲击和对流[6～8],比势流作用更加复杂。

Iino和Kasai测试了离心泵内的叶片压力脉动,揭示了流量和叶片/导叶角度是引起脉动的主要原因,并给出泵内的基本频率[9]。A rndt等测试了二维离心泵的压力脉动,发现最大压力脉动出现在导叶出口,其大小与导叶数和导叶的角度密切相关[10、11]。W ang等实验研究了导叶内的压力脉动,并得出其主要频率的压力脉动出现在非设计点时以及叶频(B lade Passing Frequency,简称Zi N)倍频处[12、13]。何秀华在多级泵的实验基础上,探讨了压力脉动的产生机制,指出叶频压力脉动取决于泵的水力设计;轴频压力脉动取决于动静干扰等因素[1]。

徐朝晖采用三维RNG湍流模型,及滑移网格技术建立动静交界面,对高速离心泵中的动静干扰引起的非定常湍流场进行了计算,并分析了流体诱发的压力脉动特性[14～17]。Fortes-Patella等应用重叠网格和相位滞后的周期边界条件,对蜗壳泵内叶轮和蜗壳的动静干扰进行了二维非定常计算[18]。Shi采用CF D技术对导叶泵内叶轮下游的压力脉动进行模拟[19、20]。把其结果和实验数据及奇点分布法的理论分析结果进行对比分析,得出导叶压力脉动的频率主要出现在叶频倍频(Zi N,2Zi N和3Zi N)处;尾流对导叶的冲击引起叶轮导叶之间的干涉。Q in和Tsuka mot o分别用奇点分布法和RANS模型计算了导叶泵内的叶轮-导叶干涉引起的非定常流和得出了叶轮下游的压力脉动[21]。把两个结果进行对比来区别不稳定压力中的势流作用,从而确定了不同来源的压力脉动。所有这些结果都对泵内的叶轮-导叶干涉的研究做出了一定的贡献,但是,还不能精确地预测引起叶轮-导叶干涉的非定常流。

涡方法因为它的无网格性所以适合应用在复杂几何体内流动。因此,可以用它来计算导叶泵内复杂的非定常流的压力脉动。而且,发展涡场的拉格朗日表示法很适合移动的边界层,对于无惯性参考系来说无需控制方程的转化。Zhu用涡方法对额定流量下的动静干扰引起的压力脉动进行了计算,但是在改变工况点时这种方法就不适用了[22]。W ang所用的涡方法可在变工况点时应用,在动静干扰问题上用边界集成方法引出一个能改进非稳定压力评估的新方法[23、12]。采用Petr ov-Galerkin方法(满足整机的边界条件)计算了导叶泵的动静干扰引起的压力脉动。

3.2　二次流引起的压力脉动

离心泵叶道内尾迹区域的存在与发展同二次流动有密切的关系,尾迹区域主要是叶片表面低能流体径向流动形成的。在叶片前半段,由于叶顶泄漏涡强烈影响,尾迹区基本停留在机壳/吸力边附近,而在后半段,由于哥氏力的影响及叶片涡的衰弱,尾迹区逐步向通道中部移动[24]。

Kelder等对一低比转速离心泵蜗壳内的非定常流动进行了理论分析和试验研究[25]。实验应