型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪性能影響的仿真分析及應(yīng)用

莊宿國 張亞 陳杰 王良

摘 要：為了準(zhǔn)確地研究型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪性能的影響，采用4種典型的型線變化規(guī)律分別設(shè)計(jì)了四臺(tái)變螺距誘導(dǎo)輪，分析了型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪的能量特性和空化特性的影響，并給出了誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)過程中型線變化規(guī)律的選擇依據(jù)。通過仿真分析研究了空化發(fā)生過程中，氣泡在誘導(dǎo)輪壓力面和吸力面間的生長分布情況，捕捉到了在NPSHa不斷下降過程中，空泡在葉片間發(fā)生、蔓延及阻塞等特征，并通過切割誘導(dǎo)輪流道，研究了誘導(dǎo)輪進(jìn)出口流道能量變化過程。最終，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對一臺(tái)離心泵進(jìn)行了誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明：離心泵的空化性能得到明顯的改善，配置誘導(dǎo)輪后泵機(jī)組必需空化余量約為0.414m。

關(guān)鍵詞：離心泵；誘導(dǎo)輪；型線變化規(guī)律；數(shù)值模擬；試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TH311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2017）05-0063-07

Abstract：The inducer plays a significant role in pump industry， since it is able to keep the pump of high head-rise performance even in severe cavitating conditions. As a consequence， for the purpose of improving the reliability and effect of variable pitch inducer， this paper studied the influence of the variation of four common type lines on inducer performance. Based on these type lines， four variable pitch inducers are designed， and the numerical simulations are performed to study the characteristic of both non-cavitation state and cavitation state， and the selection criterion of the line in the design process of the inducer is given. Through simulation analysis， the study is as follows： the growth and distribution of bubbles between the pressure surface and the suction surface of the inducer， and in the process of declining NPSHa， the occurrence， spreading and blocking of vacuoles in the leaves， and the energy change process of the inlet and outlet of the inducer is studied by cutting the induction turns. Eventually， according to the design requirements， a inducer is designed. The experimental results show that the cavitation performance of centrifugal pump is significantly improved， the required cavitation is about 0.414m.

Key words：centrifugal pump； inducer； variation of type line； numerical simulation； test verification

誘導(dǎo)輪屬于軸流式葉輪，用于提高離心泵的空化性能，其本身也可以在一定程度的空化狀態(tài)下工作。在改善泵空化性能的諸多措施中，加裝誘導(dǎo)輪效果顯著[1-2]，誘導(dǎo)輪技術(shù)最早應(yīng)用于德國V2導(dǎo)彈，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于化工、船舶以及航空航天等領(lǐng)域[3-4]。國外學(xué)者主要針對誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)方面開展了大量研究，文獻(xiàn)[5]研究了誘導(dǎo)輪進(jìn)口修圓及進(jìn)口邊削尖對誘導(dǎo)輪空化性能的影響，研究表明隨著后掠角的增大，誘導(dǎo)輪的最大效率點(diǎn)向后移動(dòng)，進(jìn)口邊削尖對額定工況下誘導(dǎo)輪空化性能的改善較為顯著。文獻(xiàn)[6]對不同輪緣進(jìn)口安放角、輪轂出口直徑以及流量系數(shù)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了上述參數(shù)對誘導(dǎo)輪性能影響的規(guī)律。文獻(xiàn)[7]對3種不同葉片包角誘導(dǎo)輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了氣泡發(fā)展、潰滅的過程。近期國內(nèi)學(xué)者主要對誘導(dǎo)輪與離心泵的優(yōu)化匹配問題進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[8]研究了口環(huán)間隙對前置誘導(dǎo)輪離心泵空化性能的影響，分析了口環(huán)附近空化的發(fā)生以及誘導(dǎo)輪空化引起葉片出口液流角的變化。文獻(xiàn)[9]對誘導(dǎo)輪相對葉輪的3種不同時(shí)序位置下離心泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了模擬，并分析了其外特性、振動(dòng)特性以及空化特性隨時(shí)序位置的變化。文獻(xiàn)[10]基于數(shù)值模擬結(jié)果，分析了不同偏轉(zhuǎn)角下誘導(dǎo)輪與葉輪內(nèi)氣泡分布規(guī)律，偏轉(zhuǎn)角為10°時(shí)氣泡發(fā)展速度較慢，各空化階段分布面積較小，誘導(dǎo)輪偏轉(zhuǎn)角為5°時(shí)離心泵的綜合水力性能最優(yōu)。

上述研究表明，在滿足誘導(dǎo)輪本身的空化性能及離心泵進(jìn)口的能量需求方面，變螺距誘導(dǎo)輪較等螺距誘導(dǎo)輪具有更大的優(yōu)勢，它以較小的進(jìn)口角獲得較小的進(jìn)口流量系數(shù)，從而保證誘導(dǎo)輪具有良好的空化性能；以較大的出口角獲得足夠的揚(yáng)程，從而滿足離心泵進(jìn)口的能量需求，因此在誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)過程中進(jìn)出口角度的取值至關(guān)重要。誘導(dǎo)輪進(jìn)出口角度主要取決于其型線變化，型線變化規(guī)律直接關(guān)系到變螺距誘導(dǎo)輪壓力面的結(jié)構(gòu)，對變螺距誘導(dǎo)輪的性能有重要的影響，但目前國內(nèi)外的相關(guān)研究中，設(shè)計(jì)變螺距誘導(dǎo)輪時(shí)型線變化規(guī)律的選取并不統(tǒng)一，主要以NASA以及俄羅斯液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵誘導(dǎo)輪用數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)[11]。本文以國內(nèi)外典型的型線變化規(guī)律為研究對象，分析型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪性能的影響。

1 型線變化規(guī)律

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 無空化狀態(tài)下性能分析

表2為四種不同型線誘導(dǎo)輪的能量特性，對比可知，型線2的揚(yáng)程及效率最低，型線3揚(yáng)程及效率最優(yōu)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)型線3誘導(dǎo)輪和型線4誘導(dǎo)輪在外特性上較為相似，對比公式（3）和（4），兩式分別選用角度和螺距的變化來控制型線的形狀，由于S=tan β，在β取較小值時(shí)，tan β1/tan β2≈β1/β2，因此，型線3誘導(dǎo)輪和型線4誘導(dǎo)輪在外特性上相差不大。綜上所述，在誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)過程中，考慮到其本身具有良好的空化性能，對于一般低比轉(zhuǎn)速離心泵裝置，型線變化以型線3為優(yōu)。

3.2 空化狀態(tài)下性能分析

圖2（a）為四種不同型線誘導(dǎo)輪的空化性能曲線，由圖2可知，四種型線下誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程下降情況一致，當(dāng)裝置空化余量下降到一定程度時(shí)誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程開始下降，隨著裝置空化余量的逐漸降低，誘導(dǎo)輪發(fā)生嚴(yán)重空化，導(dǎo)致?lián)P程急劇下降。提取四種型線的臨界空化余量如圖2（b）所示，型線2的空化性能優(yōu)于型線1、3、4，與上文中能量特性的研究結(jié)果恰好相反。因此，在誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)過程中，對于高比轉(zhuǎn)數(shù)的混流泵及軸流泵裝置，考慮到裝置一般在較低裝置空化余量下運(yùn)轉(zhuǎn)，若型線3不能滿足要求，建議選取型線2。

為了進(jìn)一步研究空化發(fā)生過程中，氣泡在誘導(dǎo)輪葉片間的分布情況，定義輪轂到輪緣之間的無量綱距離為0～1，取0.5研究誘導(dǎo)輪葉片間的空泡體積分布。圖3為誘導(dǎo)輪在不同NPSHa下葉片間的空泡體積分布，由圖中可知，當(dāng)裝置空化余量NPSHa=1.32m時(shí)，誘導(dǎo)輪葉片表面開始出現(xiàn)空泡，空泡首先出現(xiàn)在葉片前緣稍后處，生成的空泡被壓控在葉片外緣的局部并在誘導(dǎo)輪內(nèi)凝結(jié)破裂，并不向其它區(qū)域蔓延，此時(shí)誘導(dǎo)輪的性能未受到影響。在NPSHa下降到0.55m時(shí)，型線1、3、4誘導(dǎo)輪空泡已經(jīng)從吸力面擴(kuò)展到壓力面，此時(shí)誘導(dǎo)輪流道已經(jīng)阻塞，誘導(dǎo)輪發(fā)生較嚴(yán)重的空化，導(dǎo)致性能下降[19-20]，但型線2誘導(dǎo)輪流道依然通常，空化性能最優(yōu)，與上述計(jì)算結(jié)果一致。

上文通過流場計(jì)算詳細(xì)分析了空化發(fā)生過程中，氣泡在誘導(dǎo)輪壓力面和吸力面間的生長分布情況，下面進(jìn)一步研究空化對誘導(dǎo)輪進(jìn)出口流道能量變化的影響，以型線1誘導(dǎo)輪為例，分析不同NPSHa下，誘導(dǎo)輪流道內(nèi)的能量變化，誘導(dǎo)輪流道切割如圖4所示的7個(gè)斷面，其中Ⅰ斷面靠近誘導(dǎo)輪葉輪進(jìn)口，Ⅶ斷面靠近誘導(dǎo)輪葉輪出口。

計(jì)算相鄰流道斷面的壓力增量，繪制如圖5所示的總壓分布圖?？梢暂^為明顯的觀察到NPSHa的降低對誘導(dǎo)輪流道總壓分布的影響。隨著NPSHa的降低，首先會(huì)在Ⅰ-Ⅱ斷面間發(fā)生壓力下降，這也與理論分析相符，誘導(dǎo)輪的最低壓力點(diǎn)發(fā)生在葉片進(jìn)口靠近輪緣處。隨著NPSHa的繼續(xù)下降，Ⅱ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ斷面的壓力都會(huì)下降，誘導(dǎo)輪的增壓（做功）能力逐漸喪失。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于一臺(tái)離心泵進(jìn)行誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，改善其空化性能.離心泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q=80m3/h，H=30m，n=1450r/min，η=70%，NPSHr=1.8m。

本設(shè)計(jì)要求通過增加誘導(dǎo)輪，提高離心泵的入口壓力，改善其空化性能，因此，在設(shè)計(jì)過程中需保證誘導(dǎo)輪具有良好的能量特性，選取型線3進(jìn)行誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

在閉式試驗(yàn)臺(tái)，對該離心泵及誘導(dǎo)輪進(jìn)行空化試驗(yàn)，確保進(jìn)口管路具有良好的密封性，通過真空泵控制吸入口的真空度，使泵發(fā)生空化。經(jīng)測試，配置誘導(dǎo)輪的泵機(jī)組必需空化余量約為0.414m，離心泵的空化性能得到良好改善。

5 結(jié)論

本文分析了4種典型的型線變化規(guī)律對誘導(dǎo)輪能量特性和空化特性的影響，并研究了空化發(fā)生過程中，氣泡在誘導(dǎo)輪壓力面和吸力面間的生長分布情況，以及空化對誘導(dǎo)輪進(jìn)出口流道能量變化的影響。最后基于分析結(jié)果，對一臺(tái)離心泵進(jìn)行誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，改善其空化性能。主要研究結(jié)果如下：

1） 仿真結(jié)果表明：在無空化狀態(tài)下，型線3誘導(dǎo)輪能量特性最優(yōu)；在空化狀態(tài)下，型線2誘導(dǎo)輪空化性能最優(yōu)；在誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)過程中，考慮到其本身具有良好的空化性能，對于一般低比轉(zhuǎn)速離心泵裝置，型線變化規(guī)律以型線3為優(yōu)，對于高比轉(zhuǎn)數(shù)的混流泵及軸流泵裝置，考慮到裝置一般在較低裝置空化余量下運(yùn)轉(zhuǎn)，若型線3不能滿足要求，建議選取型線2；

2） 氣泡在誘導(dǎo)輪壓力面和吸力面間的生長分布情況研究表明，在較高NPSHa下，即使誘導(dǎo)輪葉片表面開始出現(xiàn)空泡，空泡發(fā)生點(diǎn)在葉片前緣稍后處，生成的空泡被壓控在葉片外緣的局部并在誘導(dǎo)輪內(nèi)凝結(jié)破裂，并不向其它區(qū)域蔓延，因此誘導(dǎo)輪本身具有良好的空化性能。但當(dāng)達(dá)到臨界空化余量時(shí)，誘導(dǎo)輪空泡會(huì)從吸力面擴(kuò)展到壓力面，將流道阻塞，發(fā)生嚴(yán)重空化，導(dǎo)致性能下降.進(jìn)出口流道能量變化研究表明，當(dāng)誘導(dǎo)輪發(fā)生空化時(shí)，最低壓力點(diǎn)發(fā)生在葉片進(jìn)口靠近輪緣處，隨著NPSHa的繼續(xù)下降，壓力由誘導(dǎo)輪進(jìn)口到出口處逐漸下降，最終導(dǎo)致誘導(dǎo)輪的增壓（做功）能力逐漸喪失；

3） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對一臺(tái)離心泵進(jìn)行了誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，離心泵的空化性能得到明顯的改善，配置誘導(dǎo)輪后泵機(jī)組必需空化余量約為0.414m。

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（責(zé)任編輯：李 麗，范 君）