偏置短叶片对低比转速离心泵汽蚀性能影响分析

吴 强，王艳玲

(1．华电潍坊发电有限公司，山东潍坊261204;2．浙能嘉华发电有限公司，浙江 嘉兴314201)

低比转速离心泵被普遍应用于农业与工业生产中［1］．例如，农田排水与灌溉、城市和工业给排水、热电厂、炼油厂、输油管线、化工厂、钢铁厂、采矿企业、船舶生产与动力推进、核电站、火箭的燃料供给等方面［2～3］．但是，对于离心泵还是有很多问题没有得到解决，而汽蚀问题就是其中之一．在离心泵中，液流的压力是连续变化的，压力最低点出现在叶轮叶片入口稍后的位置，这也是汽蚀最容易发生的地方［4］．因此，改变叶片的形状及位置和叶轮入口部分的结构尺寸是提高离心泵汽蚀性能的关键．

现在大多数学者通过结构设计和水力特性这两方面对离心泵加装短叶片进行研究．齐学义等［5］为了得出短叶片偏置的最佳位置，分析计算了加装短叶片分别向叶片背面或工作面方向偏置时液体在叶轮内部回流情况．何有世等［6～8］通过数值模拟离心泵加装短叶片后叶轮内的流动特性，了解离心泵内的压力分布和速度分布．Christopher E．Brennen［9］分析了离心泵入口、叶轮、蜗壳与内部流道之间的液体回流现象，并认为离心泵汽蚀研究难度增加是由于液体回流现象的存在．Philippe Dupont和Tomoyoshi Okamura［10］对汽蚀研究领域应用的几种商用CFD(计算流体力学)软件进行了对比分析．由此可知，国内外学者的研究主要还是短叶片几何特征对离心泵内流场影响规律，长短叶片几何参数与外特性的理论表达，针对长短叶片汽蚀方面的研究迄今还未多见．

本文对比转速为66的普通离心泵与改装泵在不同流量的工况下进行模拟计算．根据影响离心泵汽蚀性能的因素及叶轮内部气泡体积分数、气泡分布、压力场，对离心泵的汽蚀性能进行分析，揭示了泵内部气液两相流场的分布，从而为优化离心泵汽蚀性能提供理论依据．

1 数值计算

1.1 几何模型建立与网格划分

本文选取IS50－32－125型蜗壳式离心泵为计算模型［11］，其基本参数如表1所示．

表1 IS50－32－125型蜗壳式离心泵参数

图1 原型泵三维造型

图2 改装泵三维造型

原型泵与加装偏置短叶片的改装泵实体模型是通过三维建模软件PRO/Engineer进行建立［12］，整个实体模型由蜗壳、泵进口的延伸段和离心泵叶轮三部分组成．原型泵和改装泵的三维整机模型，如图1、图2所示．加装的偏置短叶片按照如下参数进行设计:(1)进口直径 D=0．66D2;(2)偏转角 α=0°;(3)短叶片向长叶片负压面一侧偏置0．45θ．网格划分利用Gambit软件，采用四面体非结构化网格，并在叶轮部分适当加密，各部件间的连接采用节点耦合来处理．

1.2 计算方法和边界条件设定

分别设定进口流量为 8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h、16 m3/h、18 m3/h．模型选用较常用的 RNG k－ε湍流模型和Mixture多相流模型［13～14］．输送介质为25℃的清水，温度设为25℃，水的汽化压力为3 170 Pa，气泡生成系数取50，气泡溃灭系数取值0．01，近壁面处选用标准壁面函数，壁面边界条件设为绝热无滑移壁面，壁面粗糙度设为10μm［15］．采用二阶离散格式对计算区域进行离散，计算精度设为高精度，收敛精度设为1*10－5．进口边界条件设为压力入口，入口半径为25 mm，进口处水的体积分数设为1，气泡的体积分数设为0．出口边界条件设为流量出口．流体在进口段延伸区和蜗壳内为无旋流动，在叶轮区域为有旋流动，在延伸区出口和叶轮进口、叶轮出口和蜗壳进口分别设置交界面．采用无滑移固体壁面边界条件，并使用标准壁面函数法确定壁面附近流动．叶轮上的面设为旋转壁面，其他为固定壁面．

因为在模拟过程中吸入装置条件不变，只改变使用参数流量的大小，故认为装置汽蚀余量不变，而必需汽蚀余量改变．

根据必需汽蚀余量的表达式［16］:

图3 网格模型

其中:PS为泵进口压力;VS为泵进口处的平均速度;Pk为泵内最低压力点的绝对压力．

由此可以看出，当流量增大时，泵进口处的平均速度会增大．由于温度不变，而汽化压力不变，所以需知道汽蚀余量是增大还是减小，必须了解泵进口压力和泵内最低压力点的压力，这需要通过分析离心泵模拟计算结果的压力云图来得知．

2 数值计算结果及参数分析

2.1 压力云图分析

原型离心泵在流量为12 m3/h下的总压分布如图4所示，压力在离心泵内是连续变化的，液流从进口到出口，压力的变化是先降低，在叶轮入口稍后的位置压力达到最低点，然后随着出流的方向又逐渐增大，当到达出口时压力也达到了最大值．当液体的绝对压力低于汽化压力就会有气泡产生，当气泡受压破裂时就会发生汽蚀，因此压降的大小以及低压范围的大小决定了汽蚀发生的程度．

其它参数不变，在流量为10 m3/h、12 m3/h和14 m3/h以3种情形下进行模拟计算，不同流量下压力分布云图，如图5所示．

图4 额定流量下流场内的压力分布云图

图5 不同流量下流场内的压力分布云图

比较图5可知，随着流量逐渐增大，泵与叶轮进口处的低压区逐渐增大，压降更为明显．分析其原因，流量增大意味着叶轮入口速度增加，水流在叶轮入口区域的水力损失将增加;同时，水流进入叶轮的流动方向与叶片安置方向更加不协调，引起叶片入口更大的冲击损失，这种增大的水力损失引起的水流压力下降，造成局部压力降低，而压力的降低到汽化压力时，会产生气泡，由于流量的增大，液流动的速度也会加快，这会导致气泡迅速扩散，造成汽蚀加剧．

图6 相同流量下离心泵内流场压力分布云图

在流量为12 m3/h时，原型离心泵与加装短叶片离心泵的压力分布云图，如图6所示．从图中可知，加装短叶片离心泵对压降控制的更好，低压区的范围也减小了．这是由于离心泵加装了偏置短叶片后在叶轮相同半径处，可以明显地发现与短叶片背面相比长叶片背面的压力会更高，这对控制流体的分离和脱流起到了很好的效果，从而保持了局部压力的稳定．通过对比可以看出，加装短叶片能够有效地改善汽蚀性能．

2.2 气泡体积分数云图分析

三种不同流量下离心泵内的气泡体积分数云图，如图7所示．当流量为10 m3/h时，气泡的体积分数较小，这时气泡的产生和破灭都是在叶片背面的低压区．当流量增大时，气泡会由于离心泵叶轮转速和内部流体流速的加快而迅速扩散．气泡堆积在叶片表面和叶轮通道内，叶片工作面、叶轮出口等位置也会出现大量气泡．从图中可知，气泡体积分数最大的点是叶片背面的中心位置，顺着流动方向越靠近叶轮出口气泡体积分数越小．在这三种流量工况中，流量为14 m3/h时，气泡几乎占据了整个叶轮流道，汽蚀情况最为严重．经过对比分析发现，在一定的流量范围之内，气泡体积分数随着流量的增加而逐渐变大，而气泡分布区域体积变化不大．可见流量越大，离心泵抗汽蚀性能越差．

图7 不同流量下流场内的气泡体积分数分布云图

在流量为10 m3/h时，原型离心泵与加装短叶片离心泵的气泡体积分数云图，如图8所示．根据云图分析可知，加装短叶片的离心泵气泡体积分数明显减小，最大值由原来的0．97减小到0．90．与原型泵相比，气泡体积分数下降了0．07．同时还可以看到，与短叶片背面和长叶片工作面之间流道相比，短叶片工作面和长叶片背面之间流道的气泡分布范围和气泡体积分数明显要大得多，在长叶片背面气泡体积分数达到最大值．不仅如此，叶轮流道间的液流由于短叶片的存在流动更加稳定，不会出现明显的流体流动分离，流动状态良好．因此，气泡分布区域体积变小．

另外，叶轮上叶片表面压力分布不均匀会导致叶轮内的气泡成不对称分布，这与叶轮和蜗壳之间的耦合作用有关．

图8 相同流量下离心泵内流场气泡体积分数分布云图

2.3 流量和叶轮结构对叶片表面压力的影响

当流量变化时，原型泵与改装泵内的压力变化，如图9所示．在每种泵的长叶片上选取3个位置(叶片进口、压力最低、叶片出口)作为压力参考点，根据模拟计算结果得出这三个点随流量变化时压力的变化，进而得出整个泵内压力的变化．在图中无论是原型泵还是改装泵，这三个位置压力都会随流量的增大而逐渐减小，也就是说离心泵内的压力也会随着流量增大而减小．从最小流量8 m3/h到最大流量18 m3/h，原型泵中叶片进口压力下降了25．9%，叶片出口压力下降了37．1%，压力最低点下降了16．9%，可见叶片出口随流量增大且压降最大．加装短叶片的改装泵其叶片压力也会随流量增大而减小，但相同流量相同位置处其压力比原型泵有明显的提高，而且在压降最大的叶片出口处，改装泵的压降是31%，比原型泵的压降减少了6．1%．

图10在流量为12 m3/h时，原型泵与改装泵叶轮长叶片上的压力变化，其中P为叶片的表面压力，S为叶轮中线的相对长度(0表示叶片进口位置，1表示叶片出口位置)．从图中可知，原型泵与改装泵长叶片上的压力变化趋势相似，从叶片进口压力先是逐渐降低，到达最低压力点后开始上升，在叶片出口处达到最大值．最小压力点在叶轮进口稍后的位置，在这里液流速度最快、压力最小，所以最容易发生汽蚀．通过对比可以发现，加装了短叶片的改装泵，在相同的位置其叶片压力比原型泵都有增大，叶片进口处增大了11．3%，并且从叶片进口到压力最低点，压力的变化率在逐渐增大，在压力最低点变化率达到最大值，较原型泵增大了19．6%，在之后的一段位置都保持着较大的压力变化率，但随着叶片出口的临近，从叶片的3/5处压力的变化率开始变小，在叶片出口处压力增大了12．8%．

图9 不同流量下的叶片表面压力

图10 相同流量下的表面压力

图11 流量－气泡体积分数曲线图

2.4 流量和叶轮结构对气泡体积分数的影响

流量－气泡体积分数曲线图，如图11所示．在同一流量下，加装偏置短叶片离心泵的气泡体积分数要低于原型泵．当流量12 m3/h时，气泡体积分数下降了5．9%;当流量为14 m3/h时，气泡体积分数下降了 5．3%．

3 结 论

(1)在离心泵内气泡体积分数的最大值位于叶片背面中心位置，随后气泡沿着叶轮流道向出口流动的过程中，由于压力增大，气泡开始发生溃灭，气泡体积分数随着叶片径向位置的增大而逐渐变小．

(2)离心泵加装了偏置短叶片后相对于原型泵内部的流动状况会有所改善，这是因为短叶片抑制了一些液流的不规则流动，是叶轮和蜗壳内的压力分布更均匀，保持局部压力的稳定．

(3)通过模拟得出，在一定的范围内，离心泵进口流量越大，抗汽蚀性能越差．加装偏置短叶片能够有效抑制气泡产生或破灭，提高离心泵抗汽蚀性能．

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