提高轴流泵抗汽蚀性能关键技术的综述

郭晓梅

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

轴流泵是一种大流量,低扬程的高比转速泵,应用十分广泛.目前国内运行的大型轴流泵汽蚀现象十分严重,其产生汽蚀的原因是十分多样化的.轴流泵汽蚀现象,既是一个理论问题,又是一个实际技术问题.为解决泵的汽蚀问题,国内外研究人员进行了大量的理论研究和试验研究,提出了许多可借鉴的成果和资料.究其汽蚀的根本原因,要提高轴流泵的抗汽蚀性能就是要使其必需汽蚀余量达到最小值.目前,轴流泵的必需汽蚀余量的计算方法很多,指出了当泵的详细几何形状和尺寸确定后可以用CFD方法计算泵的必需汽蚀余量;李文广[1]在此基础上,进行了更深入的分析,在叶轮几何尺寸已知,其它条件未知的情况下,计算出了NPSHr的大小,并采用最优组合的方法使NPSHr值达到最小,从而对泵的汽蚀性能进行了优化;MILLERM.J.et al.[2]对三个轴流泵叶轮的水力性能进行了详细研究,但还未涉及必需汽蚀余量.Wislicemus G.F.[3]给出了轴流泵叶片发生汽蚀时,讲述了流体预旋和压力分布对NPSHr的影响,并得到了NPSHr与叶轮进口轴面速度的关系式;何希杰,等[4]讨论了轴流泵汽蚀性能的nD值的相关情况,认为不能用nD作为判定轴流泵汽蚀性能好坏的唯一准则,而认为汽蚀比转速C才是判定轴流泵汽蚀性能高低的普遍准则.罗剑[5]通过翼型选择对轴流泵汽蚀抑制的研究,确定了最优翼型.基于前人的研究基础之上,本文对轴流泵外壳蚀破坏机理,汽蚀时发生的现象进行了较综合性的分析,并对提高轴流泵汽蚀性能的关键技术进行了综合性的研究分析[6].

1 汽蚀破坏机理

对于汽蚀对材料的破坏理论,目前有两种观点,其中一种观点认为空泡在溃灭过程中产生一定的冲击波,此冲击波从泡的中心向外放射,从而产生很大的冲击力.另一种观点则认为空泡在溃灭的过程中会发生一定的变形,在空泡剧烈的分裂过程中,引起微射流束,此流速速度很高,从而产生巨大的冲击力.

轴流泵的汽蚀形态主要是轮缘间隙汽蚀、叶片汽蚀和轮缘泄漏汽蚀.其中轮缘间隙汽蚀和轮缘泄漏汽蚀是两种非常重要的汽蚀形态,对轴流泵材料的破坏力较大,但它们只有在叶轮轮缘间隙较大的条件下才会产生,只要合适地改变叶片的形状,轮缘间隙汽蚀和轮缘泄漏涡汽蚀就尽可能地会得到抑制.泵汽蚀时,由于强烈的水击,会产生噪音和振动.这些都会引起过流部件的破坏,在金属表面出现麻点,或蜂窝状,甚至穿孔.图1和图2是某泵站轴流泵发生汽蚀时的一些照片.

2 关键技术研究

2.1 泵的汽蚀基本方程

就叶片泵中叶轮进口处液体的流速与能量关系,最能揭示其本质的是汽蚀的基本方程,它是研究叶片泵发生汽蚀现象的基础.在叶片泵的叶轮中,汽蚀最先发生的地方是叶轮中靠近泵壳处的叶片背面,离叶片进口边大约5%～10%处,见图3的K点所示.

图1 轴流泵叶片汽蚀状况

图2 叶轮室汽蚀穿孔

图3 叶片翼型周围压强分布图

要求泵不发生汽蚀,就必须增大 Δ ha,减少Δ hr,要减少 Δ hr,则需要减小式(1)中的叶栅汽蚀参数,因此为抑制空化需要优化翼型结构.

2.2 空化与汽蚀的抑制

根据前面推导的公式,可得出在确定转轮的结构参数时,可以采取以下一些措施来抑制空化与汽蚀的发生.

(1)适当地增大转轮叶片低压处的直径,有利于减少汽蚀.

(2)转速较低的水轮机以及离心泵,可适当加大下环的圆弧半径R2,使叶片的负荷分布较均匀,并适当地改变低压侧叶片的位置,以减少空泡的凝聚,这些均有利于改善汽蚀性能.

2.3 采用优化了的叶型

(1)采用变环量进行设计时,一般扬程H沿叶高要适当地增加,以便充分利用叶间部分产生的圆周速度,扬程可按一定的规律进行变化,例：可按Δ Crra=常数的规律来进行设计,设计时a可在-1～1之间超等变化,这样叶间的负荷会有所增加而叶根的负荷会有所减轻,这样有利于减小叶片的扭曲从而提高效率,并减小汽蚀.

(2)叶轮的抗汽蚀性能与叶片的翼型升力系数CL有关,叶轮中翼型的压力面和背压面的压力差越大,也即升力系数越大,则升力也会越大,就越可能产生汽蚀.叶栅汽蚀系数λ与栅内翼型升力系数CL通过实验可证明两者是成正比的：λ=KCL.因此,为减小汽蚀或消除汽蚀,在设计翼型时,应当选择升力系数CL值较小的翼型.

3 结 论

通过对轴流泵汽蚀破坏机理和轴流泵的汽蚀基本方程的研究分析,得出了影响轴流泵汽蚀性能的因素,并提出了抑制轴流泵空化和汽蚀的关键技术措施,从而为提高轴流泵汽蚀性能和优化设计及其应用奠定理论基础.

[1]李文广.轴流泵必需汽蚀余量的优化方法[J].水泵技术,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,段志荣,王丽梅.轴流泵汽蚀性能与nD值的研究[J].设计与开发,2003(7)：25-27.

[5]罗 剑.翼型选择对轴流泵汽蚀抑制的研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学,2005：1-27.

[6]崔梁平,郭晓梅,王 莺,等.轴流泵内部三维湍流场数值模拟[J].浙江水利水电专科学校校报,2009(4)：34-37.