基于cfd計算的離心泵葉輪激勵力分析

基于cfd計算的離心泵葉輪激勵力分析

流激勵力是離心振動的主要原因之一。離心分離葉片與旋轉(zhuǎn)軸之間的軸承相連，不能像水流泵送動的羅套那樣直接激發(fā)振動。為能研究流體激勵葉輪誘發(fā)離心泵整個系統(tǒng)的振動,建立考慮流體激勵力的離心泵轉(zhuǎn)子-支承動力學(xué)系統(tǒng)是必要的?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)子動力學(xué)不考慮流體激勵實際過程,而將流體激勵力簡化為葉輪的附加質(zhì)量,計算其它外激勵作用下轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)響應(yīng)作為系統(tǒng)振動最終結(jié)果。雖此方法相對于不考慮流體激勵的轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)結(jié)果準(zhǔn)確,但因計入附加質(zhì)量,所得轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與真實轉(zhuǎn)速有一定偏差;此外,離心泵實際工作中,同樣流量不同轉(zhuǎn)速時流體激勵對葉輪激勵力也不同,因此該簡化方式存在較大不足。而若能得出葉輪所受空間三方向的流體力與力矩,將流體激勵作為激勵而非附加質(zhì)量,則可通過建立轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型求出準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)。現(xiàn)有葉輪流體激勵研究僅集中于葉輪-蝸殼二維模型的簡化、二維模型中流體激勵力作用下葉輪渦動分析、葉輪徑向渦動等效剛度矩陣建立、通過漩渦理論與實驗軸向力分析、基于CFD技術(shù)葉輪所受到徑向力或軸向力數(shù)值模擬與實驗[11,12,13,14,15,16]等,不能滿足建立流體激勵作用下各向異性轉(zhuǎn)子動力學(xué)建模要求。此外,尚未有比較各向流體力、力矩以確定流體激勵的主要方向、葉輪各表面對葉輪所受空間三方向上流體力與力矩貢獻(xiàn)的研究。因此,本文嘗試通過CFD技術(shù)對離心泵葉輪所受空間三方向流體力與力矩、流體激勵主要方向、葉輪各表面對葉輪各向流體合力與合力矩貢獻(xiàn)進(jìn)行研究。1網(wǎng)格劃分及計算工況以一單級單吸葉片扭曲的離心泵為研究對象,葉輪直徑為172mm,額定工況下比轉(zhuǎn)速為139,額定轉(zhuǎn)速為2930r/min,額定流量為100t/h。用Por-E建立離心泵內(nèi)各流體域模型共七個,包括離心泵進(jìn)口流域、葉輪內(nèi)流域、蝸殼內(nèi)流域、平衡室流域、葉輪前蓋板與蝸殼間隙流域(包括泄漏環(huán)處間隙)、葉輪后蓋板與蝸殼間隙流域與蝸殼出口延長段流域。各流域網(wǎng)格劃分均用ICEM完成,網(wǎng)格均為六面體,網(wǎng)格總數(shù)2409156,將各流域網(wǎng)格導(dǎo)入CFX中通過interface界面連接成整體,其中葉輪流域與蝸殼流域間采用rotor/statorinterface連接。計算工況為離心泵額定工況,進(jìn)口邊界條件采用離心泵進(jìn)口處的實際靜壓3871Pa(亦即395mm水柱),出口邊界條件為流量100t/h,其余邊界為固壁無滑移條件,湍流模式選擇SST模式,計算中對各控制方程進(jìn)行二階中心差分,收斂標(biāo)準(zhǔn)采用各參數(shù)平均殘差值小于1E-5。計算葉輪轉(zhuǎn)動1562°過程中流場變化情況。文獻(xiàn)[17-18]認(rèn)為:葉片轉(zhuǎn)角為3°時離心泵瞬態(tài)流場較穩(wěn)定。故本文以2°為一個時間步,并以葉輪轉(zhuǎn)動360°共180個時間步流場數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。關(guān)于網(wǎng)格劃分具體處理方法、離心泵安置方式、定常與非定常流場計算過程等,見文獻(xiàn)。如圖1(a)~圖1(e)所示,分別為葉輪前蓋板內(nèi)外表面、葉輪后蓋板內(nèi)外表面與葉片表面上穩(wěn)態(tài)分析中絕對壓力分布圖,圖1(f)為蝸殼對稱平面壓力分布圖。初始時刻葉尖葉輪軸心連線與穿過軸心蝸舌圓弧切線的夾角為14°,葉輪所處空間坐標(biāo)系坐標(biāo)原點位于葉輪軸線與蝸殼對稱平面交點處,X,Y軸正方向見圖1(f),Z正向從葉輪前蓋板指向后蓋板并正交于XY軸。2流量對葉片的激勵2.1葉輪表面空間受力基于所得瞬態(tài)流場,對各表面流體受力進(jìn)行積分得空間三方向流體合力與流體力對三坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩,分別用FX,FY,FZ,TX,TY,TZ表示。圖2分別為葉輪各表面空間受力FX與FY計算過程中最后360個時間步的變化情況、FZ與繞三坐標(biāo)軸合力矩最后180個時間步的變化情況,各力與力矩統(tǒng)計參數(shù)如表1所示。從圖2看出,除FX與FY以葉輪轉(zhuǎn)動一周為一個周期外,其余合力與合力矩均呈現(xiàn)出以葉輪轉(zhuǎn)動60°為一個周期波動。由表1看出,Y向所受流體力波動幅值最大,X向次之,Z向流體合力最大但幅值波動最小;繞空間三方向轉(zhuǎn)矩波動幅值相差較小,繞Z軸轉(zhuǎn)矩最大,繞X軸轉(zhuǎn)矩也較大,繞Y軸轉(zhuǎn)矩相對較小。2.2體表面流體力為更明確了解流體對葉輪激勵力的組成,將葉輪各固體表面分為葉輪后外表面、后內(nèi)表面、前內(nèi)表面、前外表面與葉片表面五部分,分別計算各部分所受流體力,分析各部分受力對葉輪所受各向合力的貢獻(xiàn)量。2.2.1葉輪x方向流體力圖3(a)為葉輪轉(zhuǎn)動一周各表面所受流體力在X向分力的變化情況。由此可知,葉輪所受X方向流體力主要為葉片所受流體力在X向的分力。葉輪轉(zhuǎn)動一周,所受X向流體合力曲線與葉片所受X向流體合力曲線基本相同,而其余各面所受X向流體力相對較小,尤其后蓋板內(nèi)、外表面貢獻(xiàn)基本可忽略。2.2.2葉輪轉(zhuǎn)動過程中y向流體力的特點圖3(b)為葉輪轉(zhuǎn)動一周各表面所受流體力在Y向分力的變化情況。從圖中看出,葉輪轉(zhuǎn)動過程中Y向流體力主要為葉片表面、前蓋板外表與后蓋板外表面。與X向流體合力類似,葉片Y向流體力與葉輪Y向流體合力波形非常相似,后蓋板內(nèi)、外表面與前蓋板內(nèi)表面的貢獻(xiàn)很小。另外,前蓋板外表面Y向流體力以葉輪轉(zhuǎn)動60°為一周期。2.2.3表面壓力差值圖3(c)為葉輪轉(zhuǎn)動一周葉輪各表面Z向流體力變化情況。從圖中看出,葉輪Z向流體力主要為前、后蓋板外表面壓力差值。前、后蓋板內(nèi)表面Z向流體力幅值相近,方向相反,與其他表面相比,前蓋板外表面Z向流體力最大,葉片所受流體力貢獻(xiàn)相對較小;各表面Z向流體力均為周期明顯的諧波,各波峰處曲線變化較遲緩,波谷處曲線變化迅速,也更易分辨。2.2.4表面流體力圖4(a)為葉輪轉(zhuǎn)動一周各表面力引起對X軸轉(zhuǎn)矩的變化情況。葉輪X軸轉(zhuǎn)矩主要為前蓋板外表面流體力引起的X軸轉(zhuǎn)矩。從圖中可知,各表面流體力引起X軸轉(zhuǎn)矩總和波形與前蓋板外表面波形基本一致,葉片與后蓋板外表面流體力誘發(fā)的繞X軸轉(zhuǎn)矩幅平均值很小;雖以360°為周期的前、后蓋板內(nèi)表面轉(zhuǎn)矩幅值變化較大,但二者大小相近,方向相反,且波形相位相同,因此疊加后幅值較小;前蓋板外表面流體力X軸轉(zhuǎn)矩與各表面轉(zhuǎn)矩總和均以葉輪每轉(zhuǎn)動60°為一個周期。2.2.5葉輪y軸偏轉(zhuǎn)的主要來源圖4(b)為葉輪轉(zhuǎn)動一周葉輪各表面力引起對Y軸轉(zhuǎn)矩的變化情況。從圖中可看出,繞Y軸轉(zhuǎn)矩的變化過程與繞X軸轉(zhuǎn)矩的變化過程較類似。葉輪前蓋板外表面繞Y軸轉(zhuǎn)矩仍為葉輪繞Y軸轉(zhuǎn)矩的主要來源;前、后蓋板內(nèi)表面流體作用力繞Y軸轉(zhuǎn)矩變化較明顯,大小相近方向相反,因此不是葉輪Y軸轉(zhuǎn)矩的主要來源;葉片與后蓋板外表面流體力繞Y軸轉(zhuǎn)矩較小,尤其后蓋板外表面所共享的Y軸轉(zhuǎn)矩基本趨于0。對比圖4(b)與圖4(a)中前蓋板外表面繞X軸轉(zhuǎn)矩可知,葉輪前蓋板外表面上流體力分布不均勻度較大,也可從圖1(a)中看出。2.2.6葉輪轉(zhuǎn)動周期對z軸扭矩的影響預(yù)估計算中知,由流體力誘發(fā)的繞葉輪Z軸轉(zhuǎn)矩主要來源于各葉片合力,由于葉輪前、后蓋板內(nèi)、外表面上流體壓力與Z軸正交,由各表面與流體之間粘滯力誘發(fā)的繞Z軸轉(zhuǎn)矩很小,故產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩值近似為0,因此在研究計算葉輪各表面流體力誘發(fā)繞Z軸轉(zhuǎn)矩時,應(yīng)以各葉片流體力所誘發(fā)的Z軸轉(zhuǎn)矩為對象。圖4(c)為葉輪轉(zhuǎn)動一周葉片各表面力引起對Z軸轉(zhuǎn)矩的變化情況。從圖中可看出,各葉片所產(chǎn)生的繞Z軸轉(zhuǎn)矩變化過程非常相似,變化過程以葉輪轉(zhuǎn)動一周為一個周期;圖中表現(xiàn)為葉輪轉(zhuǎn)動360°過程中各葉片Z軸轉(zhuǎn)矩均明顯出現(xiàn)兩個波谷與兩個波峰;且各葉片所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩疊加后結(jié)果即為葉輪所受流體力Z軸轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩以葉輪每轉(zhuǎn)動60°為一個周期。3試驗結(jié)果分析如上分析,除FX與FY以葉輪轉(zhuǎn)動一圈為一個周期外,其余各力與力矩均以相鄰兩葉片通過蝸舌時間為一個周期,與理論上葉輪軸對稱性,X,Y向流體力波動特征形式相同,只有90°相位差的不同。因此,為驗證所得結(jié)果的正確性,本文首先改變出口邊界條件為86t/h,計算葉輪轉(zhuǎn)動10圈流場,結(jié)果證明FX,FY的變化過程與流量100t/h相同。本文還通過試驗測試離心泵與電機之間轉(zhuǎn)軸的振動位移進(jìn)一步驗證,因試驗條件限制,用流量為86t/h工況進(jìn)行。采用轉(zhuǎn)軸振動位移為驗證參數(shù)是因為流體力作用于葉輪后產(chǎn)生的徑向力會引起轉(zhuǎn)軸徑向振動,因此可從振動位移波形研判徑向流體力變化過程。將兩個靈敏度為8V/mm振動位移傳感器分別安裝于X,Y向,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS。先將離心泵運行5min以上,試驗臺架如圖5(a)所示。電機模型采用電磁聯(lián)軸器與電機相接以避免電機轉(zhuǎn)軸與離心泵轉(zhuǎn)軸徑向力傳遞。從圖5看出,轉(zhuǎn)軸X,Y向振動位移波形與圖2中FX,FY很相似,證明計算結(jié)果是正確的。4葉輪受力與繞坐標(biāo)軸合合力的關(guān)系由數(shù)值分析與試驗驗證結(jié)果得結(jié)論如下:(1)葉輪各表面流體力空間三向合力與繞三個正交坐標(biāo)軸的合力矩均周期波動,其中兩個相互垂直的葉輪徑向流體合力均以葉輪轉(zhuǎn)動一周為一個周期,其余