葉片進口修緣對離心泵汽蝕性能影響的數值計算與試驗研究

0 引 言

離心泵廣泛應用于石油、化工、樓宇、核電等領域。長期以來，離心泵的汽蝕性能一直是泵性能考核的關鍵點，隨著社會經濟的發(fā)展，對泵汽蝕性能要求越來越高，空化的發(fā)生會引起水泵運行特性的改變、空蝕破壞、振動和噪聲等一系列問題，空化嚴重時甚至會使機組無法正常運行?？栈鲗儆诜欠€(wěn)態(tài)的汽液兩相流，其多尺度、多學科交叉的特點成為國內外學者關注的難點問題之一。如何提高離心泵的汽蝕性能，還沒有形成統(tǒng)一的方法，需要繼續(xù)開展相關工作。

研究的離心泵是一種端抽式的雙吸泵，為鍋爐給水泵的前置泵，對其汽蝕性能要求較高。為改善其汽蝕性能，采用兩種經驗的進口修緣形式，修緣方案如圖1。方案1、2均對葉片進口端的工作面修削達到進口厚度的1/3，方案1葉片進口至最大厚度處采用直線過渡，方案2采用較大曲率的弧線過渡。

圖1 葉片進口原型與修緣方案1、2

1 試驗系統(tǒng)

試驗在2級精度的T8離心泵試驗臺上進行。試驗裝置和現場布置如圖2、圖3所示。泵和電機的測量測試由泵產品測試系統(tǒng)進行采集，并通過自帶的分析軟件進行數據處理，計算得到泵額定轉速下的流量、揚程、效率和汽蝕余量。測量參數包括泵的進出口壓力、流量、轉速、溫度、電機的電流、電壓、功率等。

圖2 試驗裝置示意

圖3 現場布置

2 泵的基本參數

離心泵基本參數為：流量Q=3 300m3/h、揚程H=340m、轉速n=1 496r/min，其主要結構參數：葉輪外徑D2=800mm、葉輪進口直徑D1=360mm。葉片數z=7、基圓直徑D3=840mm。

3 控制方程與計算方法

3.1 空化湍流控制方程

完整空化模型考慮了空化流動中的相變、空泡動力學、湍流壓力脈動和流體中含有的不凝結性氣體的影響，下為控制方程表達式。

連續(xù)性方程：

動量方程：

空泡體積分數方程：

下標m- 混合物，下標v - 汽化水，i、j - 張量下標μm- 混合物粘度，η- 質量轉換系數，Sv-源項，其中用于模擬空泡產生和潰滅的過程，表達式為：

式中N -單位控制體內的空泡數，η定義為：

式中δV - 計算控制體的體積

相變公式：

當pv>p時，空泡的生長速度為

當pv

采用標準k～ε湍流模型使上述的空化控制方程組封閉。湍流模型中的k和ε方程在形式上與單相流動相同，但其中的變量均為混合流體的平均量。

計算中的物性參數取水溫為300K時的值，水的空化壓強ρV=3 540Pa，水的密度ρl=1 000kg/m3，流體中不溶解性氣體的質量組分fg=15mg/kg，水蒸氣密度ρv=0.025 58kg/m3?？张荼砻鎻埩Ζ?0.017 17N/m。

3.2 計算方法和網格劃分

采用UG7.5對葉輪、進水殼體、出水殼體進行建模，模型如圖4所示。采用有限體積法將上述控制方程組離散為代數方程組，對流項采用一階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式，采用SIMPLEC算法實現速度和壓力之間的耦合。為提高空化計算的收斂速度和計算的穩(wěn)定性，用單相定常流動計算的收斂結果作為初場進行空化流動計算。

將離心泵從進口至出口的全流道作為數值計算的求解域，采用非結構化網格進行劃分，泵內部流道計算區(qū)域及網格劃分如圖5所示。

圖4 泵體的三維模型

圖5 網格劃分

3.3 邊界條件

4 結果和分析

4.1 原型泵能量性能與汽蝕性能曲線

能量性能與汽蝕性能試驗按照水泵試驗標準GB/T 3216 -2005執(zhí)行，汽蝕試驗時保持流量不變，逐漸降低模型泵進口壓力，提高泵的進口真空度，使泵發(fā)生汽蝕。取揚程降低達到[2+（K/2）]%H時的汽蝕余量的值為泵發(fā)生空化的臨界汽蝕余量，其中 K為型式數。在數值計算中，仿照試驗方法，給定出口質量流量，通過逐步降低泵進口的壓力來減小泵的裝置汽蝕余量，并計算此時泵的揚程。圖6、圖7為離心原型泵的能量性能與汽蝕性能曲線，可以看出能量性能曲線基本吻合，計算揚程比試驗值略低；汽蝕性能曲線揚程的變化趨勢一致，但是數值分析的臨界汽蝕余量略低。故采用相同的數值分析方法對兩種葉片進口段形狀修緣后的葉輪進行分析。

圖6 原型泵的能量性能Q-H曲線

圖7 原型泵的汽蝕性能NPSH-H曲線

4.2 原型泵空化流動的分析

為定性了解離心泵內的汽蝕現象，圖8給了額定工況下不同NPSH值時泵葉輪內的空泡體積。從圖中可以看出葉輪內空泡體積的靜態(tài)發(fā)展過程，葉片入口背面存在氣核，隨著進口壓力的降低，空泡逐漸長大變多，但此時泵的性能沒有發(fā)生變化；當進口壓力逐漸降低到一定程度后，空泡堵塞了葉輪進口流道，導致葉輪性能下降，揚程降低，當揚程降低至97%的設計揚程時，即認為產生了汽蝕。當進口壓力進一步降低后，葉片內氣核布滿整個流道，造成流道嚴重阻塞，此時水泵性能嚴重下降。

圖8 不同NPSH值時葉輪內的空泡體積

4.3 數值分析的汽蝕性能曲線

數值分析得到了原型、方案1、2的額定流量下的性能曲線，從表1和圖9可以看出：葉片進口邊修緣后泵的汽蝕性能得到了一定的改善。這是因為切削了葉片進口工作面，葉片的進口安放角變大，葉片進口的過流能力變大，故泵的汽蝕性能得到改善。采用大曲率曲線光滑過渡比直線過渡的汽蝕性能好，這說明葉片進口越解決流線型，葉片的汽蝕性能越好。

表1 數值分析的原型、方案1、2的額定流量下的性能對比

圖9 數值分析的原型、方案1、2的汽蝕性能曲線

4.4 試驗研究的汽蝕性能曲線

為驗證數值分析的準確性，在試驗臺又進行了葉片進口修緣方案2 的能量性能與汽蝕性能曲線，結果通過表2和圖10可以看出，葉片進口修緣后泵的汽蝕性能得到提高，同時驗證了數值分析的正確性，達到了改善泵汽蝕性能的目的。數值分析與試驗曲線吻合良好，驗證了數值分析方法的準確性，結果比較理想。

圖10 試驗研究的原型、方案2的汽蝕性能曲線

表2 試驗研究的原型、方案2的額定流量下的性能對比

5 結 論

葉片進口工作面修緣采用大曲率曲線光滑過渡比直線過渡的汽蝕性能好，葉片進口越接近流線型，葉片的汽蝕性能越好。

數值計算結果與試驗研究結果吻合度很高，數值計算的方法較好地模擬了離心泵內的空化流動的靜態(tài)特征。研究結果對離心泵汽蝕改善的方法具有一定的指導意義。空化與空蝕機理很復雜，要深入地研究離心泵汽蝕性能的改善方法，還應考慮葉輪密封環(huán)的泄漏以及相間傳熱等因素。

[1]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京: 宇航出版社，1995.

[2]黃繼湯.空化與空蝕的原理及應用[M].北京:清華大學出版社，1991.

[3]陳慶光，吳墑峰，吳玉林，等.軸流式水輪機內部空化流動的數值模擬[J].工程熱物理學報，2006，27（5）:769-771.

[4]甘加業(yè)，薛永飛，吳克啟.混流泵葉輪內空化流動的數值計算[J].工程熱物理學報，2007，28:165-168.

[5]占梁梁.水力機械空化數值計算與試驗研究[D].武漢:華中技大學.2006.