切割叶轮对离心泵气蚀性能影响的数值分析*

2021-07-28毕智高林禄彬李史珍

化工科技 2021年3期

毕智高，林禄彬，李史珍

(1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林 719000；2.中油国际管道公司中哈天然气管道项目，北京 100007)

当离心泵所输液体的绝对压力降至其所处温度下的饱和压力时，液体开始汽化而产生汽泡，气泡随液体流动至高压处发生溃灭，该现象称为气蚀，气蚀是限制离心泵性能提高的主要因素之一。气蚀余量对于离心泵的设计、试验和使用都是十分重要的气蚀基本参数。设计时根据对气蚀性能的要求进行，若用户给定了具体使用条件，则泵设计的必需气蚀余量(NPSHr)必须小于按使用条件确定的有效气蚀余量(NPSHa)[1]。一般以与不发生气蚀时的扬程相比下降3%的点为泵气蚀的临界点[2-3]。关于泵气蚀[4-7]国内学者已有较为广泛的研究。

随着叶轮外径的不断切割，泵的气蚀性能越来越差是业界的共识，然而对于气蚀性能变差的原因相关的研究则相对少见。对于大多数泵企，在新产品出厂前进行全直径叶轮和最小直径叶轮的气蚀测试，并利用线性插值法得出中间各个直径下的气蚀数据；有时候仅以全直径下的气蚀曲线作为所有直径下叶轮的气蚀曲线，显然这种方法不太合理。

为了获得切割叶轮所导致泵气蚀性能变差的原因，通过CFX商业软件，利用CFD数值模拟的方法在额定转速下对某双吸离心泵不同叶轮切割直径下的气蚀性能进行分析。

1 模型参数与数值模拟

采用的泵模型见图1。设计工况为流量1 580 m3/h，扬程75 m，转速1 780 r/min，比转速为117，最大叶轮直径430 mm。对该叶轮进行3次切割，分别为390、370和350 mm。

由于双吸泵结构的对称性，取进口吸入管段、叶轮旋转域、蜗壳流道和出口直管段的一半流场为4个计算域。采用ICEM软件，利用自适应较好且工程中应用广泛的四面体网格划分计算域，网格数量依次为100万、200万、200万和50万，见图2。

b 蜗壳、吸入室水体网格图2 计算域网格

采用标准k-ε湍流模型，进口设为总压边界条件，出口为流量出口边界条件，通过改变进口的静压调节装置气蚀余量。周期面为镜像对称边界，其他均为光滑壁面。动静交接面采用冻结转子模式。空化模型选为Zwart，所输介质为常温25 ℃的液态纯水和气态水蒸气，水的饱和压力设为3 169.6 Pa[8]。

2 结果与分析

以未发生气蚀条件下的扬程下降3%作为临界气蚀点，即该点对应的气蚀余量为必需气蚀余量NPSHr。调节进口压力值[9]，依次计算作出4组叶轮直径下的NPSHr-Head气蚀曲线，见图3。

NPSHr/m图3 不同切割直径下叶轮的气蚀曲线

由图3可知，随着叶轮直径的切割，扬程逐渐降低，因此用以判别NPSHr的扬程下降量较全直径叶轮也逐渐减少，进而可得出NPSHr呈现逐渐增大的趋势。在叶轮全直径时，扬程曲线超过临界气蚀点则显著下降，而对于切割直径的叶轮超过气蚀点后，扬程曲线缓慢下降。NPSHr的增幅随着叶轮的切割越来越大，其趋势见图4。