彎管進(jìn)口對混流泵徑向載荷影響的數值分析
為研究彎管進(jìn)口對混流葉輪動(dòng)態(tài)性能的影響，在Fluent6.3平臺上，采用壓力-速度修正的SIMPLEC方法求解時(shí)均化的Navier-Stokes方程，同時(shí)計算采用修正的RNGk-ε湍流模型，對于安裝在彎管后3倍管徑處及直管段的混流泵性能和徑向力特性進(jìn)行分析.通過(guò)定常流場(chǎng)分析，對葉輪進(jìn)口前軸向速度分布進(jìn)行對比.結果表明：采用彎管進(jìn)口的葉輪進(jìn)口流道在轉彎平面內的軸向流速分布差異明顯，而彎管與直管進(jìn)口情況下的混流泵水力性能基本一致，并與試驗結果的趨勢相吻合.設計工況下的非定常析表明，直管進(jìn)口的混流泵葉輪徑向力定常分量幾乎為零，而采用彎管進(jìn)口的混流泵葉輪徑向力定常載荷顯著(zhù)增大，尤其是葉頻段的非定常分量增大明顯，而由動(dòng)靜干擾引起的非定常分量基本不變。
在各種工程實(shí)踐中，如船艦推進(jìn)、石化、冶煉和泵站等場(chǎng)所，由于受到進(jìn)水流道和管路系統的結構及空間限制，很多泵設備無(wú)法獲得理想外部安裝條件.例如在一些強制循環(huán)系統中，彎管位于泵進(jìn)口上游不遠處，使得管件出口流場(chǎng)的非均勻變化影響到泵機組的正常運行，容易導致泵產(chǎn)品的運行故障.
以往國內外眾多專(zhuān)家在離心泵性能、動(dòng)態(tài)載荷等方面做了很多研究，尤其是針對低比轉數離心泵葉輪的性能、壓力脈動(dòng)及動(dòng)態(tài)載荷方面進(jìn)行了較為系統的研究，但對于高比轉數的混流泵和軸流泵，由于其動(dòng)態(tài)載荷受進(jìn)口流場(chǎng)的影響而更為復雜，因而缺乏較深入的研究.目前國內的仇寶云等分析了葉片進(jìn)口流態(tài)對水泵性能、導軸承偏磨和間隙氣蝕的影響，提出了改善流態(tài)的方法.肖若富等針對進(jìn)水流道對立式斜流泵的性能、水力載荷等方面影響進(jìn)行了很多試驗和分析工作，在保持泵原有水力性能的條件下，對泵的相關(guān)結構進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好效果.國際上，VanEsch等、Nyirenda在噴水推進(jìn)系統方面做了較多的相關(guān)工作，針對船舶推進(jìn)管路及混流噴水設備進(jìn)行了詳細研究.
根據國內外研究現狀，考慮到在文獻中噴水推進(jìn)試驗所采用的進(jìn)口非均勻流場(chǎng)分布特性和試驗設計情況，分析采用90°彎管作為典型進(jìn)口管件，以混流泵水力模型作為研究對象，由于彎管產(chǎn)生的非均勻流速分布與文獻與中整流管束所產(chǎn)生的非均勻流場(chǎng)十分相似，因此該方案有利于對結果進(jìn)行可靠的分析和驗證，同時(shí)易于進(jìn)行進(jìn)一步的試驗研究.文中通過(guò)對該混流泵模型分別在直管與彎管進(jìn)口條件下的水力性能、動(dòng)態(tài)徑向力變化特征分析，深入了解彎管進(jìn)口下的非均勻進(jìn)口流場(chǎng)對葉輪性能及徑向力載荷的影響，為混流泵結構設計，尤其是轉子部件的設計提供有效參考.
1、研究方案與數值模型
1.1、研究方案
分別針對混流泵模型在直管與彎管進(jìn)口條件下的水力性能、動(dòng)態(tài)徑向載荷進(jìn)行分析.其中彎管的轉彎半徑為1.5倍管徑，葉輪進(jìn)口距離彎管出口為3倍管徑.分析采用的混流泵水力模型設計參數中設計流量Q0=1400m3/h，揚程H0=12m，設計比轉數ns=510，葉輪葉片數為4，出口導葉葉片數為7.彎管進(jìn)口方案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案1)與直管進(jìn)口方案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案2)的計算域模型分別如圖1，2所示。
圖1 方案1模型圖
圖2 方案2模型圖
數值分析包括定常與非定常計算，定常數值計算主要對水力模型的常規水力性能進(jìn)行分析，分別對2個(gè)方案模型在0.4，0.6，0.8，1.0和1.2倍設計流量下的流場(chǎng)情況進(jìn)行計算，并將分析結果與水力模型的試驗結果進(jìn)行對比.通過(guò)非定常數值計算以獲得方案1，2中葉輪的動(dòng)態(tài)徑向力特性，并對彎管進(jìn)口對于葉輪徑向力特性的影響進(jìn)行分析.
結論
1)方案1中非均勻進(jìn)口流場(chǎng)對于混流泵水力性能的影響很小，其水力性能曲線(xiàn)與采用直管進(jìn)口的方案1十分接近，在實(shí)際應用時(shí)可以忽略該彎管對水力模型性能的影響.
2)方案1中混流泵葉輪產(chǎn)生較大的徑向力定常分量，葉輪動(dòng)態(tài)徑向力的葉頻分量顯著(zhù)增大，而動(dòng)靜干擾導致的高頻徑向力系數幅值則基本不變，動(dòng)靜干擾對于葉輪葉片的影響基本局限在出口流場(chǎng)，而進(jìn)口流場(chǎng)的變化很難對動(dòng)靜干擾導致的高頻徑向力部分產(chǎn)生影響.
