噴泉瀑布中離心泵汽蝕性能提高及應(yīng)用

蔡 彬 張 凱

2南京河西新城區(qū)開發(fā)建設(shè)指揮部）

一、噴泉瀑布離心泵汽蝕及所產(chǎn)生的危害

現(xiàn)在應(yīng)用于園林噴泉及大型瀑布景觀的水泵大多數(shù)是采用離心水泵，目的是將水提升到一定的高度沿著水池口落下形成瀑布景觀，大流量的噴泉瀑布離心泵需要建立水泵房，通過水泵旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換成水流的動能和勢能。噴泉瀑布離心泵在運轉(zhuǎn)過程中，由于葉輪進口處液體局部壓力降低而導(dǎo)致其內(nèi)生成汽泡，在稍后壓力升高處汽泡又縮小或消失，出現(xiàn)水力機械所特有的汽蝕現(xiàn)象。當(dāng)噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕時，葉輪會遭受汽蝕破壞，影響噴泉瀑布離心泵性能并妨礙其正常運行。首先，噴泉瀑布離心泵汽蝕時葉輪內(nèi)液體的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現(xiàn)為流量—揚程曲線﹑流量—軸功率曲線﹑流量—效率曲線下降。嚴重時會使噴泉瀑布離心泵中的液流中斷，不能工作。其次，因為汽蝕過程是非常態(tài)的，導(dǎo)致液流產(chǎn)生較大的壓力脈動，但壓力脈動的頻率和相關(guān)部件的固有頻率一致或接近時就會產(chǎn)生較大振動。同時，汽蝕過程中空泡破滅會產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。另外，汽蝕對過流部件也有很大的破壞作用，其中對于葉輪的破壞最嚴重，其他如葉輪口環(huán)間隙處會產(chǎn)生間隙汽蝕破壞，甚至導(dǎo)葉處有時也能發(fā)現(xiàn)汽蝕的破壞。這種破壞大大的縮短噴泉瀑布離心泵的大修周期和使用壽命，嚴重時會產(chǎn)生葉片斷裂或外殼穿孔等重大事故。因此，如何提高噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能，解決噴泉瀑布離心泵正常運行的難題，在設(shè)計時顯得十分重要。

二、噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕的理論關(guān)系

在景觀工程應(yīng)用中，改善汽蝕性能的主要方法是發(fā)展耐汽蝕材料和研究高抗汽蝕的葉輪，而應(yīng)用耐汽蝕材料只是防止葉輪本身受到汽蝕破壞，汽蝕現(xiàn)象仍然在葉輪內(nèi)部的流動中發(fā)生，也就是說對于噴泉瀑布離心泵本身的運行可靠性并沒有得到有效改善。因此，從離心葉輪機械內(nèi)流理論出發(fā)，深入研究汽蝕機理，將其應(yīng)用于高抗汽蝕葉輪的研制和開發(fā)中，對葉輪進行最優(yōu)化設(shè)計，才是提高汽蝕性能最有前途的發(fā)展方向。根據(jù)噴泉瀑布離心泵汽蝕理論，噴泉瀑布離心泵是否發(fā)生汽蝕受到泵本身和吸入裝置兩個方面的影響，具體表現(xiàn)就是泵汽蝕余量NPSHr和裝置汽蝕余量NPSHa二者的關(guān)系。其中NPSHr表示泵不發(fā)生汽蝕，要求在泵進口處單位重量液體具有超過汽化壓力水頭的富余能量，NPSHa表示泵進口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力水頭凈剩的值。

1.當(dāng)NPSHa=NPSHr時，噴泉瀑布離心泵開始發(fā)生汽蝕；

2.當(dāng)NPSHa

3.當(dāng)NPSHa>NPSHr時，噴泉瀑布離心泵不汽蝕。

由于噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕的臨界點就是NPSHr=NPSHa，要使噴泉瀑布離心泵不發(fā)生汽蝕，必須增大NPSHa和減小NPSHr。對于NPSHa是泵在使用中存在的問題，在設(shè)計過程中不與考慮，因此，為了使噴泉瀑布離心泵安全高效地運行，避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提高泵汽蝕余量NPSHr就變得由為重要。根據(jù)泵汽蝕余量的基本公式

式中： υ0——葉片進口稍前的絕對速度；

w0——葉片進口稍前的相對速度；

g——重力加速度；

λ——葉片進口壓降系數(shù)。用葉片進口稍前的相對速度比值來表示

三、改善噴泉瀑布離心泵葉輪結(jié)構(gòu)提高汽蝕性能的措施

由汽蝕的理論公式可知，要減小NPSHr，必須通過減小υ0、w0、λ來實現(xiàn)。而這三者都與葉輪的結(jié)構(gòu)形狀有著密切的關(guān)系，葉輪性能的好壞直接影響水泵整體運行性能，因此，采用合理的葉輪結(jié)構(gòu)和形狀，對提高葉輪自身的抗汽蝕性能具有特別重要的意義。

1.在傳統(tǒng)的汽蝕理論中，通過葉輪的優(yōu)化設(shè)計來提高噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能主要有以下幾個方面：

（1）適當(dāng)增大葉輪進口直徑Dj；

（2）增加葉輪葉片進口寬度bl；

（3）適當(dāng)增加葉輪蓋板進口部分的曲率半徑；

（4）使葉片進口邊適當(dāng)?shù)那吧觳A斜；

（5）增大葉片進口角β1和采用正沖角；

（6）減薄葉片進口厚度；

（7）在葉輪吸入口前加裝誘導(dǎo)輪；

（8）超汽蝕泵。

2.近年來，又出現(xiàn)了一些新的研究成果，主要有：

（1）采用長短葉片形式的葉輪

常規(guī)噴泉瀑布離心泵的葉輪葉片數(shù)一般為6～7片，葉片出口邊節(jié)距較大，葉柵稠密度偏小，出水邊處葉片對水流的導(dǎo)流作用減弱，使水流偏離葉片出水邊工作面而產(chǎn)生汽蝕。由于這些原因，提出了采用長短葉片形式的葉輪來改善噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能。其原則為：在不致造成葉片間的流道阻塞，保持良好的導(dǎo)流性能前提下，利用長短葉片的形式適當(dāng)增大該出口部位的葉柵稠密度。短葉片的位置根據(jù)流線—流面優(yōu)化導(dǎo)流特性決定，并非一定在兩個長葉片的中間位置。由于增加了短葉片，出口部位的節(jié)距減小為原來的一半，葉柵稠密度相應(yīng)增大，葉片對水流的導(dǎo)流能力明顯提高，避免了出口液流偏離葉片的現(xiàn)象；同時葉片出口部位單位面積上的負載大為減輕。因此使葉輪的汽蝕性能得到有效改善，而水力效率和性能不受到影響。

（2）葉輪出口寬度適當(dāng)增加

在葉輪的設(shè)計過程中，葉輪出口寬度增加會導(dǎo)致流量增大。如果在計算中控制其它參數(shù)，使流量限制在設(shè)計要求中，則適當(dāng)增大葉輪出口寬度可使流道中的流速相對減小，提高泵的汽蝕性能。

（3）采用適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)量

從流動機理分析可知，流道內(nèi)的流動速度過大是造成汽蝕的一個主要原因，為減小葉輪內(nèi)的相對流動速度，就必須加大葉片角，而葉片角加大后，必然使每個葉片上的載荷加大。為保證葉片作功符合需要，就必須適當(dāng)減少葉片數(shù)。但過分的減少葉片數(shù)，會造成流道內(nèi)分層效應(yīng)，使葉輪出口流場畸變，影響葉輪與蝸殼中的流動效率。因此，葉片數(shù)有個最佳值，經(jīng)過計算通常為5～6片。采用恰當(dāng)?shù)娜~片數(shù)可以降低流道內(nèi)的流速，有利于汽蝕性能的改善。

四、利用CFD技術(shù)提高噴泉瀑布離心泵葉輪汽蝕性能研究

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CFD（計算流體動力學(xué)）取得長足進步，相關(guān)的CFD軟件也趨于成熟，數(shù)值求解噴泉瀑布離心泵內(nèi)部流場已成為水力設(shè)計的重要工具。進入90年代后，因為CFD分析計算結(jié)果可靠性、精確性和對大規(guī)模復(fù)雜流動的適應(yīng)性以及使用上的方便性有了很大的提高，特別是一些應(yīng)用范圍廣、計算能力強、收斂速度快、計算結(jié)果可靠并具有良好前后處理界面的軟件達到了工業(yè)應(yīng)用水平，被工業(yè)界廣泛認同。在國內(nèi)外很多文獻中，已有將CFD技術(shù)與提高水輪機抗汽蝕性相結(jié)合的研究，但將CFD技術(shù)與高抗汽蝕性能噴泉瀑布離心泵的研究結(jié)合在一起還不多見。

噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流動情況十分復(fù)雜，采用常規(guī)的試驗方法來提高其汽蝕性能具有設(shè)計周期長，費用高等弊端，成為高抗汽蝕性能噴泉瀑布離心泵發(fā)展的嚴重障礙。近年來，由于CFD在噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流場計算方面取得的重要應(yīng)用，使CFD技術(shù)在提高葉輪汽蝕性能分析研究中成為一個強有力的工具。

由于CFD軟件具有上述特點，可以用其計算葉輪內(nèi)部汽蝕工況的流動參數(shù)，采用三元粘性數(shù)值模擬方法研究噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部的流動規(guī)律。通常是基于N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型加壁面函數(shù)法，對N-S方程組做平均化處理來計算葉輪內(nèi)部的速度場、矢量場和壓力場，并進行數(shù)值效率計算對性能進行預(yù)估。

根據(jù)計算結(jié)果分析噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流場分布規(guī)律，同時將所得數(shù)據(jù)與汽蝕試驗結(jié)果進行比較，找出汽蝕與葉輪幾何形狀的關(guān)系，建立一個能夠在實際的設(shè)計中應(yīng)用的模型。這一模型的建立將能有效改善葉輪的汽蝕性能，也能取代繁重的模型實驗?zāi)M工作，同時也可以縮短高抗汽蝕性能葉輪的設(shè)計時間，提高經(jīng)濟效益，是高抗汽蝕噴泉瀑布離心泵優(yōu)化設(shè)計的一個新的發(fā)展方向。

五、結(jié) 論

綜上所述，改善和提高噴泉瀑布離心泵汽蝕性能的方法有很多種，但通常情況下基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)方法不能同時采用，在葉輪設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體的實際情況恰當(dāng)?shù)倪x擇。同時，也要考慮噴泉瀑布離心泵的不同性能特點，使之符合工作環(huán)境條件的要求，讓其在高效點可靠工作。這樣，就可以從根本上改善噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能。而將近年來快速發(fā)展的CFD技術(shù)與傳統(tǒng)試驗方法相結(jié)合，把汽蝕過程模型化，將成果應(yīng)用在噴泉瀑布離心泵的優(yōu)化設(shè)計中，必將成為今后噴泉瀑布離心泵抗汽蝕性能研究熱點。

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊.北京：宇航出版社.1995

[2]查森.葉片泵原理及水力設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社.1998

[3]張克危.流體機械原理.北京：機械工業(yè)出版社.2001

[4]朱紅耕.泵汽蝕余量及其試驗方法淺議.流體機械.1995（1）

[5]何偉等.冷卻水循環(huán)泵抗汽蝕性能改造.大氨肥.1995（3）

[6]黃以良.提高泵汽蝕性能的設(shè)計方法探討.排灌機械.1998（3）

[7]張成冠.采用長短葉片改善水泵轉(zhuǎn)輪汽蝕和磨損性能的實驗研究.水泵技術(shù).1997（6）

[8]劉文濤.如何提高噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能.黑龍江八一農(nóng)懇大學(xué)學(xué)報.1994（6）

[9]吳仁榮.葉輪的結(jié)構(gòu)形狀對噴泉瀑布離心泵汽蝕性能的影響.機電設(shè)備.1995（6）

［10］宋海輝,匡和碧.CFD技術(shù)在水輪機轉(zhuǎn)輪抗空蝕改造中的應(yīng)用.中國農(nóng)村水力水電.2004（10）

［11］張維平,韋彩新,韓鳳琴. 用三元粘性數(shù)值模擬法探討水輪機轉(zhuǎn)輪空蝕問題.水力發(fā)電.2003（2）

［12］王福軍.計算流體動力學(xué)分析.北京：清華大學(xué)出版社.2004