偏置短葉片對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵汽蝕性能影響分析

吳 強(qiáng)，王艷玲

(1．華電濰坊發(fā)電有限公司，山東濰坊261204;2．浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興314201)

低比轉(zhuǎn)速離心泵被普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)中［1］．例如，農(nóng)田排水與灌溉、城市和工業(yè)給排水、熱電廠、煉油廠、輸油管線、化工廠、鋼鐵廠、采礦企業(yè)、船舶生產(chǎn)與動(dòng)力推進(jìn)、核電站、火箭的燃料供給等方面［2～3］．但是，對(duì)于離心泵還是有很多問(wèn)題沒有得到解決，而汽蝕問(wèn)題就是其中之一．在離心泵中，液流的壓力是連續(xù)變化的，壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在葉輪葉片入口稍后的位置，這也是汽蝕最容易發(fā)生的地方［4］．因此，改變?nèi)~片的形狀及位置和葉輪入口部分的結(jié)構(gòu)尺寸是提高離心泵汽蝕性能的關(guān)鍵．

現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力特性這兩方面對(duì)離心泵加裝短葉片進(jìn)行研究．齊學(xué)義等［5］為了得出短葉片偏置的最佳位置，分析計(jì)算了加裝短葉片分別向葉片背面或工作面方向偏置時(shí)液體在葉輪內(nèi)部回流情況．何有世等［6～8］通過(guò)數(shù)值模擬離心泵加裝短葉片后葉輪內(nèi)的流動(dòng)特性，了解離心泵內(nèi)的壓力分布和速度分布．Christopher E．Brennen［9］分析了離心泵入口、葉輪、蝸殼與內(nèi)部流道之間的液體回流現(xiàn)象，并認(rèn)為離心泵汽蝕研究難度增加是由于液體回流現(xiàn)象的存在．Philippe Dupont和Tomoyoshi Okamura［10］對(duì)汽蝕研究領(lǐng)域應(yīng)用的幾種商用CFD(計(jì)算流體力學(xué))軟件進(jìn)行了對(duì)比分析．由此可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要還是短葉片幾何特征對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)影響規(guī)律，長(zhǎng)短葉片幾何參數(shù)與外特性的理論表達(dá)，針對(duì)長(zhǎng)短葉片汽蝕方面的研究迄今還未多見．

本文對(duì)比轉(zhuǎn)速為66的普通離心泵與改裝泵在不同流量的工況下進(jìn)行模擬計(jì)算．根據(jù)影響離心泵汽蝕性能的因素及葉輪內(nèi)部氣泡體積分?jǐn)?shù)、氣泡分布、壓力場(chǎng)，對(duì)離心泵的汽蝕性能進(jìn)行分析，揭示了泵內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)的分布，從而為優(yōu)化離心泵汽蝕性能提供理論依據(jù)．

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

本文選取IS50－32－125型蝸殼式離心泵為計(jì)算模型［11］，其基本參數(shù)如表1所示．

表1 IS50－32－125型蝸殼式離心泵參數(shù)

圖1 原型泵三維造型

圖2 改裝泵三維造型

原型泵與加裝偏置短葉片的改裝泵實(shí)體模型是通過(guò)三維建模軟件PRO/Engineer進(jìn)行建立［12］，整個(gè)實(shí)體模型由蝸殼、泵進(jìn)口的延伸段和離心泵葉輪三部分組成．原型泵和改裝泵的三維整機(jī)模型，如圖1、圖2所示．加裝的偏置短葉片按照如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì):(1)進(jìn)口直徑 D=0．66D2;(2)偏轉(zhuǎn)角 α=0°;(3)短葉片向長(zhǎng)葉片負(fù)壓面一側(cè)偏置0．45θ．網(wǎng)格劃分利用Gambit軟件，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在葉輪部分適當(dāng)加密，各部件間的連接采用節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)處理．

1.2 計(jì)算方法和邊界條件設(shè)定

分別設(shè)定進(jìn)口流量為 8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h、16 m3/h、18 m3/h．模型選用較常用的 RNG k－ε湍流模型和Mixture多相流模型［13～14］．輸送介質(zhì)為25℃的清水，溫度設(shè)為25℃，水的汽化壓力為3 170 Pa，氣泡生成系數(shù)取50，氣泡潰滅系數(shù)取值0．01，近壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面邊界條件設(shè)為絕熱無(wú)滑移壁面，壁面粗糙度設(shè)為10μm［15］．采用二階離散格式對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，計(jì)算精度設(shè)為高精度，收斂精度設(shè)為1*10－5．進(jìn)口邊界條件設(shè)為壓力入口，入口半徑為25 mm，進(jìn)口處水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，氣泡的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0．出口邊界條件設(shè)為流量出口．流體在進(jìn)口段延伸區(qū)和蝸殼內(nèi)為無(wú)旋流動(dòng)，在葉輪區(qū)域?yàn)橛行鲃?dòng)，在延伸區(qū)出口和葉輪進(jìn)口、葉輪出口和蝸殼進(jìn)口分別設(shè)置交界面．采用無(wú)滑移固體壁面邊界條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定壁面附近流動(dòng)．葉輪上的面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，其他為固定壁面．

因?yàn)樵谀M過(guò)程中吸入裝置條件不變，只改變使用參數(shù)流量的大小，故認(rèn)為裝置汽蝕余量不變，而必需汽蝕余量改變．

根據(jù)必需汽蝕余量的表達(dá)式［16］:

圖3 網(wǎng)格模型

其中:PS為泵進(jìn)口壓力;VS為泵進(jìn)口處的平均速度;Pk為泵內(nèi)最低壓力點(diǎn)的絕對(duì)壓力．

由此可以看出，當(dāng)流量增大時(shí)，泵進(jìn)口處的平均速度會(huì)增大．由于溫度不變，而汽化壓力不變，所以需知道汽蝕余量是增大還是減小，必須了解泵進(jìn)口壓力和泵內(nèi)最低壓力點(diǎn)的壓力，這需要通過(guò)分析離心泵模擬計(jì)算結(jié)果的壓力云圖來(lái)得知．

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及參數(shù)分析

2.1 壓力云圖分析

原型離心泵在流量為12 m3/h下的總壓分布如圖4所示，壓力在離心泵內(nèi)是連續(xù)變化的，液流從進(jìn)口到出口，壓力的變化是先降低，在葉輪入口稍后的位置壓力達(dá)到最低點(diǎn)，然后隨著出流的方向又逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)出口時(shí)壓力也達(dá)到了最大值．當(dāng)液體的絕對(duì)壓力低于汽化壓力就會(huì)有氣泡產(chǎn)生，當(dāng)氣泡受壓破裂時(shí)就會(huì)發(fā)生汽蝕，因此壓降的大小以及低壓范圍的大小決定了汽蝕發(fā)生的程度．

其它參數(shù)不變，在流量為10 m3/h、12 m3/h和14 m3/h以3種情形下進(jìn)行模擬計(jì)算，不同流量下壓力分布云圖，如圖5所示．

圖4 額定流量下流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布云圖

圖5 不同流量下流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布云圖

比較圖5可知，隨著流量逐漸增大，泵與葉輪進(jìn)口處的低壓區(qū)逐漸增大，壓降更為明顯．分析其原因，流量增大意味著葉輪入口速度增加，水流在葉輪入口區(qū)域的水力損失將增加;同時(shí)，水流進(jìn)入葉輪的流動(dòng)方向與葉片安置方向更加不協(xié)調(diào)，引起葉片入口更大的沖擊損失，這種增大的水力損失引起的水流壓力下降，造成局部壓力降低，而壓力的降低到汽化壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣泡，由于流量的增大，液流動(dòng)的速度也會(huì)加快，這會(huì)導(dǎo)致氣泡迅速擴(kuò)散，造成汽蝕加?。?/p>

圖6 相同流量下離心泵內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云圖

在流量為12 m3/h時(shí)，原型離心泵與加裝短葉片離心泵的壓力分布云圖，如圖6所示．從圖中可知，加裝短葉片離心泵對(duì)壓降控制的更好，低壓區(qū)的范圍也減小了．這是由于離心泵加裝了偏置短葉片后在葉輪相同半徑處，可以明顯地發(fā)現(xiàn)與短葉片背面相比長(zhǎng)葉片背面的壓力會(huì)更高，這對(duì)控制流體的分離和脫流起到了很好的效果，從而保持了局部壓力的穩(wěn)定．通過(guò)對(duì)比可以看出，加裝短葉片能夠有效地改善汽蝕性能．

2.2 氣泡體積分?jǐn)?shù)云圖分析

三種不同流量下離心泵內(nèi)的氣泡體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖7所示．當(dāng)流量為10 m3/h時(shí)，氣泡的體積分?jǐn)?shù)較小，這時(shí)氣泡的產(chǎn)生和破滅都是在葉片背面的低壓區(qū)．當(dāng)流量增大時(shí)，氣泡會(huì)由于離心泵葉輪轉(zhuǎn)速和內(nèi)部流體流速的加快而迅速擴(kuò)散．氣泡堆積在葉片表面和葉輪通道內(nèi)，葉片工作面、葉輪出口等位置也會(huì)出現(xiàn)大量氣泡．從圖中可知，氣泡體積分?jǐn)?shù)最大的點(diǎn)是葉片背面的中心位置，順著流動(dòng)方向越靠近葉輪出口氣泡體積分?jǐn)?shù)越小．在這三種流量工況中，流量為14 m3/h時(shí)，氣泡幾乎占據(jù)了整個(gè)葉輪流道，汽蝕情況最為嚴(yán)重．經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在一定的流量范圍之內(nèi)，氣泡體積分?jǐn)?shù)隨著流量的增加而逐漸變大，而氣泡分布區(qū)域體積變化不大．可見流量越大，離心泵抗汽蝕性能越差．

圖7 不同流量下流場(chǎng)內(nèi)的氣泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖

在流量為10 m3/h時(shí)，原型離心泵與加裝短葉片離心泵的氣泡體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖8所示．根據(jù)云圖分析可知，加裝短葉片的離心泵氣泡體積分?jǐn)?shù)明顯減小，最大值由原來(lái)的0．97減小到0．90．與原型泵相比，氣泡體積分?jǐn)?shù)下降了0．07．同時(shí)還可以看到，與短葉片背面和長(zhǎng)葉片工作面之間流道相比，短葉片工作面和長(zhǎng)葉片背面之間流道的氣泡分布范圍和氣泡體積分?jǐn)?shù)明顯要大得多，在長(zhǎng)葉片背面氣泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值．不僅如此，葉輪流道間的液流由于短葉片的存在流動(dòng)更加穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)明顯的流體流動(dòng)分離，流動(dòng)狀態(tài)良好．因此，氣泡分布區(qū)域體積變?。?/p>

另外，葉輪上葉片表面壓力分布不均勻會(huì)導(dǎo)致葉輪內(nèi)的氣泡成不對(duì)稱分布，這與葉輪和蝸殼之間的耦合作用有關(guān)．

圖8 相同流量下離心泵內(nèi)流場(chǎng)氣泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖

2.3 流量和葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)葉片表面壓力的影響

當(dāng)流量變化時(shí)，原型泵與改裝泵內(nèi)的壓力變化，如圖9所示．在每種泵的長(zhǎng)葉片上選取3個(gè)位置(葉片進(jìn)口、壓力最低、葉片出口)作為壓力參考點(diǎn)，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果得出這三個(gè)點(diǎn)隨流量變化時(shí)壓力的變化，進(jìn)而得出整個(gè)泵內(nèi)壓力的變化．在圖中無(wú)論是原型泵還是改裝泵，這三個(gè)位置壓力都會(huì)隨流量的增大而逐漸減小，也就是說(shuō)離心泵內(nèi)的壓力也會(huì)隨著流量增大而減?。畯淖钚×髁? m3/h到最大流量18 m3/h，原型泵中葉片進(jìn)口壓力下降了25．9%，葉片出口壓力下降了37．1%，壓力最低點(diǎn)下降了16．9%，可見葉片出口隨流量增大且壓降最大．加裝短葉片的改裝泵其葉片壓力也會(huì)隨流量增大而減小，但相同流量相同位置處其壓力比原型泵有明顯的提高，而且在壓降最大的葉片出口處，改裝泵的壓降是31%，比原型泵的壓降減少了6．1%．

圖10在流量為12 m3/h時(shí)，原型泵與改裝泵葉輪長(zhǎng)葉片上的壓力變化，其中P為葉片的表面壓力，S為葉輪中線的相對(duì)長(zhǎng)度(0表示葉片進(jìn)口位置，1表示葉片出口位置)．從圖中可知，原型泵與改裝泵長(zhǎng)葉片上的壓力變化趨勢(shì)相似，從葉片進(jìn)口壓力先是逐漸降低，到達(dá)最低壓力點(diǎn)后開始上升，在葉片出口處達(dá)到最大值．最小壓力點(diǎn)在葉輪進(jìn)口稍后的位置，在這里液流速度最快、壓力最小，所以最容易發(fā)生汽蝕．通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加裝了短葉片的改裝泵，在相同的位置其葉片壓力比原型泵都有增大，葉片進(jìn)口處增大了11．3%，并且從葉片進(jìn)口到壓力最低點(diǎn)，壓力的變化率在逐漸增大，在壓力最低點(diǎn)變化率達(dá)到最大值，較原型泵增大了19．6%，在之后的一段位置都保持著較大的壓力變化率，但隨著葉片出口的臨近，從葉片的3/5處壓力的變化率開始變小，在葉片出口處壓力增大了12．8%．

圖9 不同流量下的葉片表面壓力

圖10 相同流量下的表面壓力

圖11 流量－氣泡體積分?jǐn)?shù)曲線圖

2.4 流量和葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡體積分?jǐn)?shù)的影響

流量－氣泡體積分?jǐn)?shù)曲線圖，如圖11所示．在同一流量下，加裝偏置短葉片離心泵的氣泡體積分?jǐn)?shù)要低于原型泵．當(dāng)流量12 m3/h時(shí)，氣泡體積分?jǐn)?shù)下降了5．9%;當(dāng)流量為14 m3/h時(shí)，氣泡體積分?jǐn)?shù)下降了 5．3%．

3 結(jié) 論

(1)在離心泵內(nèi)氣泡體積分?jǐn)?shù)的最大值位于葉片背面中心位置，隨后氣泡沿著葉輪流道向出口流動(dòng)的過(guò)程中，由于壓力增大，氣泡開始發(fā)生潰滅，氣泡體積分?jǐn)?shù)隨著葉片徑向位置的增大而逐漸變?。?/p>

(2)離心泵加裝了偏置短葉片后相對(duì)于原型泵內(nèi)部的流動(dòng)狀況會(huì)有所改善，這是因?yàn)槎倘~片抑制了一些液流的不規(guī)則流動(dòng)，是葉輪和蝸殼內(nèi)的壓力分布更均勻，保持局部壓力的穩(wěn)定．

(3)通過(guò)模擬得出，在一定的范圍內(nèi)，離心泵進(jìn)口流量越大，抗汽蝕性能越差．加裝偏置短葉片能夠有效抑制氣泡產(chǎn)生或破滅，提高離心泵抗汽蝕性能．

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