弯管进口对混流泵径向载荷影响的数值分析

　　为研究弯管进口对混流叶轮动态性能的影响，在Fluent6.3平台上，采用压力-速度修正的SIMPLEC方法求解时均化的Navier-Stokes方程，同时计算采用修正的RNGk-ε湍流模型，对于安装在弯管后3倍管径处及直管段的混流泵性能和径向力特性进行分析.通过定常流场分析，对叶轮进口前轴向速度分布进行对比.结果表明：采用弯管进口的叶轮进口流道在转弯平面内的轴向流速分布差异明显，而弯管与直管进口情况下的混流泵水力性能基本一致，并与试验结果的趋势相吻合.设计工况下的非定常析表明，直管进口的混流泵叶轮径向力定常分量几乎为零，而采用弯管进口的混流泵叶轮径向力定常载荷显著增大，尤其是叶频段的非定常分量增大明显，而由动静干扰引起的非定常分量基本不变。

　　在各种工程实践中，如船舰推进、石化、冶炼和泵站等场所，由于受到进水流道和管路系统的结构及空间限制，很多泵设备无法获得理想外部安装条件.例如在一些强制循环系统中，弯管位于泵进口上游不远处，使得管件出口流场的非均匀变化影响到泵机组的正常运行，容易导致泵产品的运行故障.

　　以往国内外众多专家在离心泵性能、动态载荷等方面做了很多研究，尤其是针对低比转数离心泵叶轮的性能、压力脉动及动态载荷方面进行了较为系统的研究，但对于高比转数的混流泵和轴流泵，由于其动态载荷受进口流场的影响而更为复杂，因而缺乏较深入的研究.目前国内的仇宝云等分析了叶片进口流态对水泵性能、导轴承偏磨和间隙气蚀的影响，提出了改善流态的方法.肖若富等针对进水流道对立式斜流泵的性能、水力载荷等方面影响进行了很多试验和分析工作，在保持泵原有水力性能的条件下，对泵的相关结构进行优化，取得了良好效果.国际上，VanEsch等、Nyirenda在喷水推进系统方面做了较多的相关工作，针对船舶推进管路及混流喷水设备进行了详细研究.

　　根据国内外研究现状，考虑到在文献中喷水推进试验所采用的进口非均匀流场分布特性和试验设计情况，分析采用90°弯管作为典型进口管件，以混流泵水力模型作为研究对象，由于弯管产生的非均匀流速分布与文献与中整流管束所产生的非均匀流场十分相似，因此该方案有利于对结果进行可靠的分析和验证，同时易于进行进一步的试验研究.文中通过对该混流泵模型分别在直管与弯管进口条件下的水力性能、动态径向力变化特征分析，深入了解弯管进口下的非均匀进口流场对叶轮性能及径向力载荷的影响，为混流泵结构设计，尤其是转子部件的设计提供有效参考.

1、研究方案与数值模型

　　1.1、研究方案

　　分别针对混流泵模型在直管与弯管进口条件下的水力性能、动态径向载荷进行分析.其中弯管的转弯半径为1.5倍管径，叶轮进口距离弯管出口为3倍管径.分析采用的混流泵水力模型设计参数中设计流量Q0=1400m3/h，扬程H0=12m，设计比转数ns=510，叶轮叶片数为4，出口导叶叶片数为7.弯管进口方案(以下简称方案1)与直管进口方案(以下简称方案2)的计算域模型分别如图1，2所示。

图1 方案1模型图

图2 方案2模型图

　　数值分析包括定常与非定常计算，定常数值计算主要对水力模型的常规水力性能进行分析，分别对2个方案模型在0.4，0.6，0.8，1.0和1.2倍设计流量下的流场情况进行计算，并将分析结果与水力模型的试验结果进行对比.通过非定常数值计算以获得方案1，2中叶轮的动态径向力特性，并对弯管进口对于叶轮径向力特性的影响进行分析.

结论

　　1)方案1中非均匀进口流场对于混流泵水力性能的影响很小，其水力性能曲线与采用直管进口的方案1十分接近，在实际应用时可以忽略该弯管对水力模型性能的影响.

　　2)方案1中混流泵叶轮产生较大的径向力定常分量，叶轮动态径向力的叶频分量显著增大，而动静干扰导致的高频径向力系数幅值则基本不变，动静干扰对于叶轮叶片的影响基本局限在出口流场，而进口流场的变化很难对动静干扰导致的高频径向力部分产生影响.