水泵汽蝕特性分析及數(shù)值研究

張俊廣

（中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610036）

水泵為通用流體機械，廣泛應用于工程領域和日常生活。在工程建設領域進行水泵的工藝設計時，通常要考慮水泵的汽蝕特性。水泵在運行時如果出現(xiàn)了汽蝕，泵內(nèi)流體的速度和壓力都會發(fā)生變化，流量揚程特性就會發(fā)生惡化，并伴有噪音、振動等現(xiàn)象，對泵體產(chǎn)生沖擊，并影響整個管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，厘清水泵的汽蝕特性至關重要。因此，如何提升泵的抗汽蝕特性成為水力機械工程研究的難點。本文首先闡述水泵汽蝕的形成原理及產(chǎn)生的危害，然后，采用數(shù)值模擬的手段對泵的汽蝕特性進行研究，為工程項目泵站系統(tǒng)設計應用及避免汽蝕發(fā)生提供參考。

1 汽蝕的產(chǎn)生

泵在運行過程中，水流隨之進入泵體并高速流動。在葉輪的吸入口，水的流動會形成低壓區(qū)，當?shù)蛪簠^(qū)的壓力低于水的氣化壓力時，流體就會在此處發(fā)生汽化，并形成蒸汽和氣體的混合汽泡，汽泡運動到高壓區(qū)域時就會發(fā)生破裂，留下局部空隙，高速流動的水則迅速沖填空隙。而汽泡中的蒸汽和氣體無法在如此短的時間溶解并凝結，伴隨著高速的水流沖擊，再次被水流沖擊、壓縮，分界成更小的汽泡，該過程如此反復。

上述反復的沖擊過程若發(fā)生在泵體流道及葉輪的表面附近，就會形成高強度高頻率的沖蝕，葉輪材料表面在水汽混合的反復沖刷下，最終導致材料疲勞，進而遭到破壞。另外，水中溶解的自由氧也會對葉輪及流道表面的產(chǎn)生電化學腐蝕，加速材料的損壞。上述過程中汽泡的產(chǎn)生、破裂以及水流的沖刷致使葉輪和流道表面材料疲勞、損壞的過程，即為汽蝕。

2 汽蝕的危害

水泵的運行一旦發(fā)生汽蝕，不僅會給設備本身帶來損傷，也會影響系統(tǒng)工作的安全。主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）產(chǎn)生振動和噪音。汽蝕發(fā)生時，往往伴有振動和噪音。汽泡的破裂和高速水流的沖刷會帶來很大的噪音。根據(jù)前文所述汽蝕發(fā)生的過程，反復的破裂和沖刷過程就會伴隨著很大的脈動力，如果脈動的頻率接近設備和系統(tǒng)的固有頻率，則容易產(chǎn)生共振。

（2）引起材料的損壞。根據(jù)汽蝕發(fā)生的機理，由于水汽的沖刷和電化學腐蝕的共同作用，致使葉輪和流道表面受到損壞。

（3）導致性能的下降。當汽蝕繼續(xù)發(fā)展，將產(chǎn)生大量汽泡，嚴重堵塞流道的截面，使流體通流面積下降，從而引起揚程下降，效率也會降低，影響泵的運行。

2 汽蝕余量的定義

汽蝕余量是用來描述水泵汽蝕特性的重要參數(shù)，通常用△h 表示。

就同一臺水泵而言，吸入裝置條件的變化可能直接導致汽蝕的發(fā)生。因此，我們把吸入裝置條件所確定的汽蝕余量稱為有效汽蝕余量，符號為Δha。根據(jù)圖1 所示，定義式如下：

圖1 水泵系統(tǒng)示意圖

根據(jù)伯努利方程：

因此有，

相同工況條件下，有的泵會發(fā)生汽蝕，而其他型號的泵則可能正常運行。因此，汽蝕的發(fā)生還與泵本身的汽蝕特性有關聯(lián)。我們把該項條件所確定的汽蝕余量稱為必需汽蝕余量，符號為Δhr。定義式如下：

式中λl，λ2為壓降系數(shù)。

Δha和Δhr與流量的變化關系曲線見圖2 所示。

由圖2 可知，Δha和Δhr相交于C 點，此時，△ha=△hr=△hc，該工況點即為汽蝕臨界點，對應的流量為Qvc。當運行流量小于Qvc時，有效汽蝕余量減去流體汽化壓力后的富余壓頭足以克服吸入口所產(chǎn)生的壓降，此時，泵的運行處在安全區(qū)。反之，則泵的運行處在汽蝕區(qū)。

即保證泵不發(fā)生汽蝕的條件為Δhr＜Δha。

4 汽蝕特性的數(shù)值研究

本文以離心泵為例進行建模，葉輪直徑尺寸為300mm，數(shù)值計算時模擬轉(zhuǎn)速為1450r/min。

圖2 Δha 和Δhr 與流量的關系曲線

首先對泵體內(nèi)流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，利用Gambit 軟件進行處理，采用結構化和非結構化相結合的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分數(shù)量約為35 萬。計算模型采用κ-ε 湍流模型，采用速度入口作為進口的邊界條件，流體出口設為自由出流。泵體內(nèi)壁則定義為靜止光滑的壁面，但是對于壁面的附近，則會產(chǎn)生很強的對流，因此在壁面附件采用標準的壁面函數(shù)模型。其次，對泵的設計工況時改變吸入口的壓力，對吸入口的壓力由設計工況逐漸降低，此時，裝置的有效汽蝕余量就會減小，對數(shù)據(jù)進行整理，繪制出不同入口壓力下泵的汽蝕特性曲線，見圖3 所示。

圖3 汽蝕特性曲線

由圖3 可知，當Δha在7 ～9 區(qū)間時，揚程曲線開始呈現(xiàn)下降趨勢。此時，在泵內(nèi)流道區(qū)域會產(chǎn)生一定量的氣泡，并逐漸堵塞流道，就會導致泵的揚程出現(xiàn)下降。當繼續(xù)將Δha減小時，揚程則呈現(xiàn)快速下降的趨勢，這時，會在泵體的流道區(qū)域聚集了大量的氣泡，幾乎占滿了通流空間，葉輪已經(jīng)無法正常對通流液體進行做功，才會出現(xiàn)泵的揚程迅速下降的情況。

圖4 葉輪區(qū)域壓力分布圖

圖4 給出了葉輪區(qū)域壓力分布圖，從圖中可以得出，葉輪進出口壓力呈現(xiàn)明顯的梯度分布，自進口的低壓區(qū)至出口的高壓區(qū)。在葉輪出口處，葉片尾部的區(qū)域流體壓力最大，而在葉輪進口處，葉片頭部的壓力為最小，也就是此處，最先且最容易發(fā)生汽蝕；并且此處的也拼應力變化很大，運行環(huán)境惡劣，容易造成材料疲勞，進而引起安全隱患。

圖5 給出了不同有效汽蝕余量對葉片表面氣泡體積分數(shù)影響的分布圖。紅色區(qū)域為汽泡集中分布區(qū)域，表面此處已經(jīng)發(fā)生汽蝕。藍色區(qū)域為無汽泡的區(qū)域。

從圖中可以得出：當Δha=9m 時，在葉輪的頭部區(qū)域只有少量的氣泡分布，此時，少量氣泡幾乎對泵的性能不產(chǎn)生影響。當Δha=7m 時，泵內(nèi)的汽蝕發(fā)生了惡化，從頭部區(qū)域發(fā)展到了流道區(qū)域，造成了通流區(qū)域的堵塞，使得泵無法正常對流體做功，因此，導致泵的性能下降，揚程和效率均降低，并伴有振動和噪聲的產(chǎn)生。伴隨著進口壓力的不斷降低，裝置的有效汽蝕余量也隨之降低，氣泡面積逐漸增大，并開始占滿葉輪通流區(qū)域，嚴重阻礙了葉輪的正常做工，進而影響了泵的揚程，使得揚程曲線呈現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象，因此，也就很好解釋了泵在嚴重汽蝕時會出現(xiàn)斷裂工況這一現(xiàn)象。

5 結語

本文對泵的汽蝕特性進行了分析，理論闡述了泵汽蝕產(chǎn)生的機理，定義了泵的汽蝕余量，并進一步建立泵的模型，設置計算條件，數(shù)值研究了泵的汽蝕特性，揭示汽蝕特性的影響因素及變化規(guī)律，更好地服務工程項目泵站的系統(tǒng)設計。

圖5