离心泵叶轮非定常入流及激励特性研究现状

刘凯

摘要：指出了离心泵叶轮的非定常入流特性对其流动诱发压力脉动、振动特性影响显著。对叶轮的非定常入流特性进行了全面分析，阐述了其目前研究现状，并总结了非定常入流性能的控制及改善措施。进一步展望了离心泵叶轮非定常入流特性的发展趋势，为相关研究的继续深入提供参考。

关键词：离心泵叶轮；非定常入流；激励特性；研究现状

中图分类号：TH311

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22015203

1 引言

离心泵作为典型、通用的流体机械，在国防、核能等領域中属关键设备，随着用途特殊化，运行条件极端化，运行工况多样化，泵的持续、稳定、安全运行要求也日益严苛。随着泵朝向大型化、高速化、高功率密度方向发展，泵的振动噪声成为目前研究的热点问题，也是设计过程中面临的难点和新挑战。尤其是具有极高隐蔽性要求的水下军事装备，低振动噪声特性是泵首要设计要求，其振动噪声能量级瓶颈的突破是目前泵领域亟待解决的难题。离心泵叶轮进口存在复杂的流动结构，包括口环间隙泄漏流、回流、二次流等，其将对主流产生明显影响，进而将对泵内流动诱发的压力脉动、振动特性产生影响。因此，离心泵叶轮非定常流动特性的研究具有显著的学术及工程价值。

2 国内外研究现状

2.1 口环泄漏流动的研究

口环间隙泄漏流是叶轮进口关键的流场结构。潘中永等 [1]通过数值模拟和试验，研究了叶轮口环间隙对离心泵性能的影响，设计了包含前后泵腔在内的全流场模型，基于RNG k-ε湍流模型，建立了3种口环方案，从湍动能、涡量和径向力角度，分析了口环间隙对离心泵全流场水力效率和机械效率的影响。张金凤 等[2]基于在小流量工况下运行时离心泵叶轮进口会产生进口回流现象，采用标准k-ε湍流模型，应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流场进行了数值模拟，分析了流场内的速度分布。周岭 等[3]针对典型的150QJ20型深井离心泵，设计了3种不同进口边位置的叶轮。对不同进口边位置的叶轮出口断面的压力场、湍流场和速度场进行了比较，并结合试验分析了进口边位置对深井离心泵水力性能的影响。牟介刚 等[4]通过对农用离心泵的汽蚀性能进行研究，建立了离心泵汽蚀余量的理论计算方程，并分析了汽蚀余量与叶轮口环间隙大小之间的关系。

国外方面，Sivo J M等 [5]研究了离心泵的前盖板口环出口-进口泄漏产生的力，以及涡流制动器对转子水力特性的影响。实验数据表明涡流制动器可以有效地减少低流速下破坏稳定的切向力。Uy R V等[6]通过把泄漏的几何路径从圆锥形的形状修改为典型的弧形设计，研究了其对泵的影响，发现只有交叉耦合的部分受泄漏路径几何变化的影响。Baskharone E A等[7]计算了作用于泵叶轮的流体-前盖板相互作用力，该作用力绕泵壳向前，并且推导了和转子动力特性的相互作用。Uy R V等[8]研究了离心泵因叶轮出口至进口段泄漏引起的不稳定的力。Guinzburg等[9]研究了一种流体作用力决定转子动力特性稳定性和离心泵性能的动静干涉问题。重点研究了离心泵转动部件叶轮的前盖板和静止部件泵壳之间的出口至进口段泄漏引起的叶轮所受作用力。

国内外关于叶轮出口至进口段泄漏的研究数量较叶轮进口区域内其他部件多，但也非常有限，仅提供了叶轮前盖板和泵壳之间间隙对固壁的激励特性，没有将流动特性与压力脉动和振动特性进行联系。

2.2 离心泵进口区域流动的研究

袁寿其等[10]基于有限体积方法，采用标准k-ε湍流模型，应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟。通过在进口流场中设置大量监测点，采集速度变化数据，对回流发生和发展过程中进口处的回流旋涡形态和流场速度分布进行了分析。朱荣生[11] 针对某低比转数双吸离心泵在小流量工况下出现回流的问题，利用CFD技术对双吸泵及吸水室内部流场进行数值模拟研究，并提出定点速度值分析法，模拟流场测试试验中采用的动态探针采样测试系统，对回流问题进行研究。针对叶轮进口相应测试点在不同流量下的速度变化进行统计分析，发现其变化规律和理论分析结果与以往文献中试验总结的规律变化一致。黄建德[12]对不同叶片进口角、叶片数、不同叶顶间隙的开式和闭式离心叶轮共12种叶轮的进口流场和回流发生情况进行了探针的动态测试和可视化观察。理清了上述叶轮参数对进口回流初始流量和进口流场的影响。李意民等 [13]在实验的基础上用动力学理论对离心叶轮机械入口的复杂流动进行了研究。把离心叶轮入口流动看成是保守系统，在此基础上建立了理想流动的自治系统。在相平面内初步讨论了离心叶轮入口流动的结构。

总体来看，国内关于离心泵进口段的流动研究多数运用商业软件和实验配合的手段模拟和测量外特性；国外对于离心泵进口段的研究集中于揭示旋涡、二次流等流动现象对于固壁的作用力，以及其他进口段流动特征与其影响结果之间的关系。

2.3 进口不良流动的控制

谭磊等[14]基于水力机械基本方程，建立了前置导叶离心泵的损失计算模型，将前置导叶离心泵的损失分为叶轮损失、前置导叶损失和蜗壳损失三部分。完成了不同工况、不同预旋角度下装有前置导叶的XA150/32型离心泵外特性试验。冯民权等 [15]运用数值模拟和物理试验相结合的方法对导流板的最佳布置方式和导流效果进行研究。数值模拟计算的结果表明：多组次倾斜放置的导流板群所起的导流护岸作用明显。王海民等[16]运用轴流泵孤立叶片设计方法，设计了基于Gottingen翼型的前置导流叶片，并对离心泵预旋调节的基本规律及调节机理进行了试验研究。发现单吸离心泵采用前置导叶长弦端靠近中心轴的安装方式对离心泵外特性的改善效果要优于前置导叶短弦端靠近中心轴的安装方式。王海民等[17]为了优化离心泵运行工况调节，运用叶轮机械设计和前置导叶预旋调节的基本理论，在整流片和Gottingen-364翼型的基础上，设计出两种不同翼型的前置导叶预旋调节装置，研究了不同翼型前置导叶正预旋对离心泵水力特性的影响。曹树良等[18]借鉴传统风机前置导叶调节的经验，提出一种全新的适用于离心泵前置导叶预旋调节的空间导叶水力设计方法，该方法假定前置导叶出口的流体满足等速度矩条件，通过四次分布函数给定叶片安放角沿轴面流线的分布规律来控制叶片的空间形状，采用逐点积分法进行叶片骨线绘型，在圆柱展开面上对叶片骨线双面加厚完成三维空间导叶的水力设计。endprint

Bird G A[19]在涡轮分子泵的二维流动中运用直接模拟Monte Carlo法，结果表明：把转子作为第一级的常规泵会在泵进口处的真空室产生不可忽略的混乱流动。在转子前面加一个前置导叶，相当于一个静子部件，即可无不利影响地减少这种非定常流动。Aissa，Walid A[20]所在的South Valley大学的能量高级学科的流体实验室通过分析和实验对基本离心泵的性能进行了研究，主要通过实验的手段改变不同的进口条件对离心泵性能的影响。

国内关于前置导叶的研究集中在前置导葉对泵性能的影响，没有对前置导叶对于叶轮进口区域流动的影响进行系统的研究；国外对于前置导叶的研究更加偏于理论分析，也分析了前置导叶对于进口流动的影响，但数量较少。

3 发展趋势

离心泵叶轮进口区域的流动特性对于固壁的作用力、压力脉动以及振动特性的影响较大，因此对于这一区域的研究也日益重要，由国内外发展现状可知，离心泵叶轮进口区域的发展会向着揭示该区域的流动机理，建立该区域的流动与压力、振动的关系，形成相应的设计方法以及完善抑制该区域二次流、旋涡、高低能量流体碰撞融合效果的方法。

4 结语

离心泵进口的非定常流动特性对泵的能量性能、空化性能、激励特性都将产生显著影响，然而相关研究的广度、深度都较为欠缺，缺乏完整的进口流动及激励理论，未能建立起进口流动与主流的相互作用关系。此外，大量研究成果仅从数值计算角度对进口流动进行研究，缺乏相应的实验验证，比如进口非定常流动的PIV、LDA实验。因此，对于离心泵进口非定常流动及激励特性而言，还需要进行大量的研究工作，通过建立内流的相互作用关系为离心泵的优化设计提供方向。

参考文献：

[1]潘中永，陈士星，张大庆，等. 叶轮口环间隙对离心泵性能影响的模拟和试验[J]. 流体机械，2012（11）：10～14.

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[3]周 岭，施卫东，陆伟刚，等. 叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响[J]. 农业机械学报，2012（3）：78～82.

[4]牟介刚，苏苗印，张孝风，等. 叶轮口环间隙对农用离心泵汽蚀性能的影响[J]. 农机化研究，2010（11）：25～29.

[5]Sivo J M，Acosta A J，Brennen C E，et al. The Influence of Swirl Brakes on the Rotordynamic Forces Generated by Discharge-to-Suction Leakage Flows in Centrifugal Pumps[J]. Journal of Fluids Engineering，1995，117（1）：104～108.

[6]Uy R V，Bircumshaw B L，Brennen C E. Rotordynamic Forces from Discharge-to-Suction Leakage Flows in Centrifugal Pumps ： Effects of Geometry[J]. Jsme International Journal，1997，41（1）：208～213.

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[8]Uy R V，Bircumshaw B L，Brennen C E. A Parametric Evaluation of the Effect of Inlet Swirl on the Rotordynamic Forces Generated by Discharge-to-Suction Leakage Flows in Shrouded Centrifugal Pumps[J]. Iron—binary Phase Diagrams，1997，3（3）.

[9]Guinzburg A，Brennen C E，Acosta A J，et al. Experimental Results for the Rotordynamic Characteristics of Leakage Flows in Centrifugal Pumps[J]. Journal of Fluids Engineering，1994，116：1（1）：110～115.

[10]袁寿其，梁 赟，袁建平，等. 离心泵进口回流流场特性的数值模拟及试验[J]. 排灌机械工程学报，2011（6）：461～465.

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[13]李意民，谢和平，李江林，等. 离心叶轮入口流动的动力学描述[J]. 中国矿业大学学报，1998（2）：132～134.

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[15]冯民权，范术芳，郑邦民，等. 导流板的布置方式及其导流效果[J]. 武汉大学学报（工学版），2009（1）：87～95.endprint

[16]王海民，林 浩，黃 雄，等. 基于Gottingen翼型的离心泵前置导叶预旋调节试验[J]. 农业机械学报，2012（11）：129～133.

[17]王海民，周裁民，黄 雄，等. 不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响[J]. 排灌机械工程学报，2012（6）：660～664.

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[20]Aissa W A. Effect of Inlet Conditions on Centrifugal Pump Performance[J]. International Journal of Fluid Mechanics Research，2009，36（2）：97～113.

Abstract： The unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump impeller have a significant effect on the flow induced pressure pulsation and vibration characteristics. In this paper， the unsteady inflow characteristics of the impeller are summarized， and the current research status is discussed. Besides， the control and improvement measures of unsteady inflow performance are summarized. Finally， the development trend of the unsteady inflow characteristics of the centrifugal pump is analyzed， and the direction of the research is further studied.

Key words： centrifugal pump； unsteady inflow； excitation characteristics； research statusendprint