船用離心泵葉片參數(shù)的改變對(duì)汽蝕性能影響與分析

摘要：為了研究影響離心泵汽蝕性能的因素，本文以國(guó)內(nèi)常用的65ZX25-32船用泵為研究對(duì)象，在葉輪基本外尺寸和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相同的情況下，改變?nèi)~輪進(jìn)口流道形狀和葉輪進(jìn)口邊形狀，運(yùn)用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到相應(yīng)的壓力分布規(guī)律，從而判斷出以上兩種參數(shù)對(duì)離心泵汽蝕性能的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：船用離心泵；汽蝕；數(shù)值模擬

1. 前言

汽蝕問(wèn)題一直是造船工業(yè)，水利工程，航天工業(yè)，流體機(jī)械等諸多領(lǐng)域極為關(guān)心的問(wèn)題。在離心泵中，汽蝕所產(chǎn)生的后果是人們所熟知的老大難問(wèn)題，一旦發(fā)生汽蝕，性能將明顯下降。在開(kāi)始發(fā)生汽蝕時(shí)，汽蝕區(qū)域較小，對(duì)泵的工作沒(méi)有明顯的影響。當(dāng)汽蝕發(fā)展到一定程度時(shí)，氣泡大量產(chǎn)生，影響液體的正常流動(dòng)，甚至造成液流間斷，振動(dòng)和噪音加劇，泵的排量、揚(yáng)程、效率都明顯下降。嚴(yán)重的汽蝕可使泵空轉(zhuǎn)而停止輸液。因此，通過(guò)合理方式優(yōu)化離心泵結(jié)構(gòu)、減輕汽蝕發(fā)展程度意義重大。本文試圖通過(guò)改變離心泵兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)即：葉輪進(jìn)口流道形狀、葉輪進(jìn)口邊形狀來(lái)探討對(duì)離心泵抗汽蝕性能的影響。

2. 產(chǎn)生汽蝕的原因

眾所周知，當(dāng)液體壓力降至與液體溫度相對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，液體便會(huì)沸騰氣化，此壓力稱(chēng)為該液體在某一溫度下所對(duì)應(yīng)的飽和壓力。離心泵工作時(shí)，由于泵一般安裝位置高于吸入池液面和吸入管系存在阻力等原因，泵吸入室壓力逐漸降低，進(jìn)入葉輪后，葉片背部的壓力比葉面的壓力更低一些，因此，葉輪進(jìn)口葉片背部的壓力最低，如圖1上所示的K點(diǎn)處壓力最低。

當(dāng)K點(diǎn)壓力降至液體自身溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，葉片背部進(jìn)口處的液體便會(huì)沸騰汽化成許多小氣泡。小氣泡隨液體沿葉片向外流動(dòng)時(shí)，壓力逐漸增大。當(dāng)小氣泡周?chē)鷫毫Τ^(guò)飽和壓力時(shí)，氣泡受壓，氣泡內(nèi)蒸汽會(huì)突然凝結(jié)。小氣泡周?chē)囊后w會(huì)以很高的速度向里運(yùn)動(dòng)。在小氣泡凝結(jié)的瞬間，液體互相撞機(jī)，產(chǎn)生很高的局部壓力。若氣泡

在金屬表面上破裂和凝結(jié)，則液體質(zhì)點(diǎn)就像小彈頭一樣，打擊在金屬表面上。在壓力很大和頻率很高的液體質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)打擊下，金屬表面會(huì)因疲勞而破壞。發(fā)生嚴(yán)重汽蝕的部位就會(huì)被液體質(zhì)點(diǎn)啄蝕成蜂窩狀或海綿狀孔洞而損壞。

離心泵開(kāi)始發(fā)生汽蝕時(shí)，汽蝕區(qū)域較小，對(duì)泵的正常工作沒(méi)有明顯影響，泵的特性曲線(xiàn)也沒(méi)有明顯的變化。但當(dāng)汽蝕發(fā)展到一定程度時(shí)，由于液體中夾雜有很多氣泡，葉輪所輸送液體的平均密度降低，使泵的排出壓力降低，流量減小，并發(fā)生振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)使泵不能排送液體。本文以國(guó)內(nèi)常用的65ZX25-32船用泵為研究對(duì)象，該泵的揚(yáng)程H=44.5m，設(shè)計(jì)流量qv=200 m3/h，轉(zhuǎn)速n=1475n/min，汽蝕余量NPSHR=1.7m。葉輪的基本幾何參數(shù)如表1

3. 改變?nèi)~輪參數(shù)

3.1. 改變?nèi)~輪進(jìn)口流道形狀

圖1中，PC為吸水池液面壓力；PS為泵進(jìn)口S-S斷面處液體壓力；vs為泵進(jìn)口處液體流速；Z1為泵進(jìn)口離吸入水池液面的垂直高度；hc-s為泵吸入管路的損頭。根據(jù)伯努利方程，上述參數(shù)有以下關(guān)系：

事實(shí)上，PS不是泵內(nèi)的最低壓力，葉片進(jìn)口背部K點(diǎn)的壓力PK才是泵內(nèi)的最低壓力，因?yàn)椋?①?gòu)谋眠M(jìn)口到葉輪進(jìn)口有摩擦損失和沖擊損失；②葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉面與葉背之間有壓差，液體由泵進(jìn)口流至葉片進(jìn)口背部時(shí)，壓力還要降低。

顯然，泵進(jìn)口壓力PS與泵內(nèi)最低壓力PK之壓頭差，與泵進(jìn)口到葉輪進(jìn)口流道形狀有關(guān)。因此預(yù)設(shè)流道進(jìn)口處寬度為32mm，葉輪進(jìn)口流道形狀分別設(shè)計(jì)成漸擴(kuò)型、平直型、漸縮型流道三維模型如圖所示

對(duì)所建立的流道模型使用CFD的方法進(jìn)行模擬計(jì)算，三種進(jìn)口形狀流道的壓力分布圖如圖3所示。

對(duì)壓力分布圖和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，流道進(jìn)口形狀的不同，離心泵內(nèi)部流道的流場(chǎng)也不同，離心泵進(jìn)口處的壓力有所變化，發(fā)生汽蝕的可能性也不一樣。在保證流量一定時(shí)，流道進(jìn)口形狀的改變，離心泵的其他性能參數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，如表2所示。

由壓力分布圖和表2可知，流道進(jìn)口形狀為漸擴(kuò)型時(shí)，和平直型的進(jìn)口相比較，離心泵的揚(yáng)程增加，但是其效率會(huì)有一定程度的降低，離心泵壓力圖也可看出與平直型流道進(jìn)口相比，壓力降低，發(fā)生汽蝕的可能性會(huì)增加；當(dāng)流道進(jìn)口形狀為漸縮型時(shí)，與平直型進(jìn)口形狀相比較，泵的揚(yáng)程略微降低，效率也有一定程度降低，但是效率比漸擴(kuò)型的要高一些，離心泵流道的進(jìn)口壓力和平直型相比有明顯下降，抗汽蝕性能大大降低。

3.2. 改變?nèi)~片幾何形狀

在保證葉輪外尺寸基本不變的情況下，采用從葉片工作面向葉片背面的加厚方式，基于同樣的蝸殼結(jié)構(gòu)的壓出室，以三種不同的厚度變化規(guī)律對(duì)離心泵葉片進(jìn)行造型，設(shè)計(jì)了三種離心泵方案，分析葉片厚度變化規(guī)律對(duì)離心泵汽蝕性能的影響。方案一、二比方案三在葉片進(jìn)口邊有較大的曲率。方案三采用從葉片進(jìn)口到最大厚度處的直線(xiàn)過(guò)渡設(shè)計(jì)，方案一、二采用有一定弧度的曲線(xiàn)設(shè)計(jì)。三種離心泵方案葉片進(jìn)口邊形狀如圖4所示。

基于流體分析軟件FLUENT本文在計(jì)算中選擇混合物模型；空化模型選用Singhal等人提出的一種完整空化模型[4]。其連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

本文采用無(wú)滑移壁面邊界條件，以單相定常流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果作為汽蝕流動(dòng)的初始流場(chǎng)參數(shù)。以提高汽蝕計(jì)算的收斂速度和計(jì)算穩(wěn)定性，汽蝕計(jì)算初場(chǎng)的空泡體積組份賦為0，以進(jìn)口壓力穩(wěn)定性來(lái)判斷是否達(dá)到收斂。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，殘差值設(shè)為1e-4滿(mǎn)足基本收斂要求。

在設(shè)計(jì)流量下（qv=200 m3/h），各離心泵方案葉片吸力面空泡相體積分布如圖5-7。

圖中所標(biāo)的數(shù)字為空泡體積率α（α為1表示完全氣相，α為0表示完全液相），其中L.E為葉輪進(jìn)口，T.E為葉輪出口，SHROUD表示葉輪前蓋板，HUB表示葉輪后蓋板。從圖中可以看出，泵內(nèi)部發(fā)生汽蝕時(shí)，氣泡相主要分布在葉輪葉片進(jìn)口前緣附近，從葉輪后蓋板到前蓋板的氣泡相體積分?jǐn)?shù)依次增大，在葉片進(jìn)口吸力面靠近前蓋板處氣泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，在此區(qū)域幾乎為完全氣相，這也是葉片最容易發(fā)生汽蝕的部位，圖6的靜壓分布曲線(xiàn)清晰的反映了這一低壓區(qū)域，與泵發(fā)生汽蝕時(shí)葉片破損部位相吻合。從圖中可以明顯觀察到方案一到方案三的氣泡體積分?jǐn)?shù)一次增大，靜壓值依次降低。以上分析表明：方案一到方案三，空化依次加重。

4. 結(jié)論

葉輪流道進(jìn)口形狀的改變會(huì)影響離心泵葉輪的抗汽蝕性能，每種類(lèi)型的離心泵都有適合該類(lèi)型的流道進(jìn)口形狀，當(dāng)選擇合適的流道進(jìn)口形狀時(shí)，離心泵葉輪的抗汽蝕性能和離心泵的其他性能參數(shù)都達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，葉片進(jìn)口邊的形狀影響泵的汽蝕性能，分析表明葉片進(jìn)口邊形狀越接近流線(xiàn)型，泵的抗汽蝕性能越好。

參考文獻(xiàn)

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[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介：任華杰（1987.4-），男，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事船舶系統(tǒng)技術(shù)研究；E-mail：hjgfsrhj@126.com

孫浩偉（1979.1-），男，本科，核動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事從事核動(dòng)力設(shè)備監(jiān)造。