提高軸流泵抗汽蝕性能關(guān)鍵技術(shù)的綜述

郭曉梅

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

軸流泵是一種大流量,低揚程的高比轉(zhuǎn)速泵,應(yīng)用十分廣泛.目前國內(nèi)運行的大型軸流泵汽蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重,其產(chǎn)生汽蝕的原因是十分多樣化的.軸流泵汽蝕現(xiàn)象,既是一個理論問題,又是一個實際技術(shù)問題.為解決泵的汽蝕問題,國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的理論研究和試驗研究,提出了許多可借鑒的成果和資料.究其汽蝕的根本原因,要提高軸流泵的抗汽蝕性能就是要使其必需汽蝕余量達(dá)到最小值.目前,軸流泵的必需汽蝕余量的計算方法很多,指出了當(dāng)泵的詳細(xì)幾何形狀和尺寸確定后可以用CFD方法計算泵的必需汽蝕余量;李文廣[1]在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了更深入的分析,在葉輪幾何尺寸已知,其它條件未知的情況下,計算出了NPSHr的大小,并采用最優(yōu)組合的方法使NPSHr值達(dá)到最小,從而對泵的汽蝕性能進(jìn)行了優(yōu)化;MILLERM.J.et al.[2]對三個軸流泵葉輪的水力性能進(jìn)行了詳細(xì)研究,但還未涉及必需汽蝕余量.Wislicemus G.F.[3]給出了軸流泵葉片發(fā)生汽蝕時,講述了流體預(yù)旋和壓力分布對NPSHr的影響,并得到了NPSHr與葉輪進(jìn)口軸面速度的關(guān)系式;何希杰,等[4]討論了軸流泵汽蝕性能的nD值的相關(guān)情況,認(rèn)為不能用nD作為判定軸流泵汽蝕性能好壞的唯一準(zhǔn)則,而認(rèn)為汽蝕比轉(zhuǎn)速C才是判定軸流泵汽蝕性能高低的普遍準(zhǔn)則.羅劍[5]通過翼型選擇對軸流泵汽蝕抑制的研究,確定了最優(yōu)翼型.基于前人的研究基礎(chǔ)之上,本文對軸流泵外殼蝕破壞機(jī)理,汽蝕時發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行了較綜合性的分析,并對提高軸流泵汽蝕性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合性的研究分析[6].

1 汽蝕破壞機(jī)理

對于汽蝕對材料的破壞理論,目前有兩種觀點,其中一種觀點認(rèn)為空泡在潰滅過程中產(chǎn)生一定的沖擊波,此沖擊波從泡的中心向外放射,從而產(chǎn)生很大的沖擊力.另一種觀點則認(rèn)為空泡在潰滅的過程中會發(fā)生一定的變形,在空泡劇烈的分裂過程中,引起微射流束,此流速速度很高,從而產(chǎn)生巨大的沖擊力.

軸流泵的汽蝕形態(tài)主要是輪緣間隙汽蝕、葉片汽蝕和輪緣泄漏汽蝕.其中輪緣間隙汽蝕和輪緣泄漏汽蝕是兩種非常重要的汽蝕形態(tài),對軸流泵材料的破壞力較大,但它們只有在葉輪輪緣間隙較大的條件下才會產(chǎn)生,只要合適地改變?nèi)~片的形狀,輪緣間隙汽蝕和輪緣泄漏渦汽蝕就盡可能地會得到抑制.泵汽蝕時,由于強(qiáng)烈的水擊,會產(chǎn)生噪音和振動.這些都會引起過流部件的破壞,在金屬表面出現(xiàn)麻點,或蜂窩狀,甚至穿孔.圖1和圖2是某泵站軸流泵發(fā)生汽蝕時的一些照片.

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 泵的汽蝕基本方程

就葉片泵中葉輪進(jìn)口處液體的流速與能量關(guān)系,最能揭示其本質(zhì)的是汽蝕的基本方程,它是研究葉片泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的基礎(chǔ).在葉片泵的葉輪中,汽蝕最先發(fā)生的地方是葉輪中靠近泵殼處的葉片背面,離葉片進(jìn)口邊大約5%～10%處,見圖3的K點所示.

圖1 軸流泵葉片汽蝕狀況

圖2 葉輪室汽蝕穿孔

圖3 葉片翼型周圍壓強(qiáng)分布圖

要求泵不發(fā)生汽蝕,就必須增大 Δ ha,減少Δ hr,要減少 Δ hr,則需要減小式(1)中的葉柵汽蝕參數(shù),因此為抑制空化需要優(yōu)化翼型結(jié)構(gòu).

2.2 空化與汽蝕的抑制

根據(jù)前面推導(dǎo)的公式,可得出在確定轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)時,可以采取以下一些措施來抑制空化與汽蝕的發(fā)生.

(1)適當(dāng)?shù)卦龃筠D(zhuǎn)輪葉片低壓處的直徑,有利于減少汽蝕.

(2)轉(zhuǎn)速較低的水輪機(jī)以及離心泵,可適當(dāng)加大下環(huán)的圓弧半徑R2,使葉片的負(fù)荷分布較均勻,并適當(dāng)?shù)馗淖兊蛪簜?cè)葉片的位置,以減少空泡的凝聚,這些均有利于改善汽蝕性能.

2.3 采用優(yōu)化了的葉型

(1)采用變環(huán)量進(jìn)行設(shè)計時,一般揚程H沿葉高要適當(dāng)?shù)卦黾?以便充分利用葉間部分產(chǎn)生的圓周速度,揚程可按一定的規(guī)律進(jìn)行變化,例：可按Δ Crra=常數(shù)的規(guī)律來進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計時a可在-1～1之間超等變化,這樣葉間的負(fù)荷會有所增加而葉根的負(fù)荷會有所減輕,這樣有利于減小葉片的扭曲從而提高效率,并減小汽蝕.

(2)葉輪的抗汽蝕性能與葉片的翼型升力系數(shù)CL有關(guān),葉輪中翼型的壓力面和背壓面的壓力差越大,也即升力系數(shù)越大,則升力也會越大,就越可能產(chǎn)生汽蝕.葉柵汽蝕系數(shù)λ與柵內(nèi)翼型升力系數(shù)CL通過實驗可證明兩者是成正比的：λ=KCL.因此,為減小汽蝕或消除汽蝕,在設(shè)計翼型時,應(yīng)當(dāng)選擇升力系數(shù)CL值較小的翼型.

3 結(jié) 論

通過對軸流泵汽蝕破壞機(jī)理和軸流泵的汽蝕基本方程的研究分析,得出了影響軸流泵汽蝕性能的因素,并提出了抑制軸流泵空化和汽蝕的關(guān)鍵技術(shù)措施,從而為提高軸流泵汽蝕性能和優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).

[1]李文廣.軸流泵必需汽蝕余量的優(yōu)化方法[J].水泵技術(shù),2008(1)：5-10.

[2]MILLER M J,CROUSE J E,SANDERCOCK D M.Summary of Experimental Investigation of Three Axial-flow Pump RotorTested in Water[J].ASMEJournal of Engineering forPower,1967,92：589-599.

[3]WISLICEMUS G F.Critical Considerations on Cavitation Limits of Centrifugal and Axial-flow Pumps[J].ASME Transaction,1956,78：1007-1013.

[4]何希杰,段志榮,王麗梅.軸流泵汽蝕性能與nD值的研究[J].設(shè)計與開發(fā),2003(7)：25-27.

[5]羅 劍.翼型選擇對軸流泵汽蝕抑制的研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué),2005：1-27.

[6]崔梁平,郭曉梅,王 鶯,等.軸流泵內(nèi)部三維湍流場數(shù)值模擬[J].浙江水利水電專科學(xué)校校報,2009(4)：34-37.