某潛沒式液貨泵吸口與井底間距的確定

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

潛沒式液貨泵通常采用一艙一泵的布置方式安裝于液貨船的每個艙室中，艙室底部有一個吸入井，泵安裝于吸入井的頂部，因此，泵吸口與吸入井底部之間的距離(簡稱吸口間距)決定了液貨的殘留量。減小吸口間距有助于降低艙室內液貨的殘留量；但同時會造成泵汽蝕性能惡化，不利于泵的穩定運行。因此，實際吸口間距通常有一個合理范圍，如何確定這個范圍是潛沒式貨油泵設計與安裝過程中需面臨的重要問題。泵抗汽蝕性能越好對于降低吸口間距是有利的，有學者提出用空化數來描述空化流動，指出采用理論方法預測空化初生和空化消失是非常困難的[1]。用于仿真空化的汽蝕模型被開發出來，后有學者采用Rayleigh-Plesset汽蝕模型進行離心泵汽蝕性能的CFD仿真計算研究[2]。該汽蝕模型被應用于分析不同型式離心泵的汽蝕性能，并與試驗結果進行對比[3-5]，以上研究均以清水介質，試驗表明，當介質變為粘度大的粘油時，泵的必須汽蝕余量隨液體粘度增加而升高[6-10]。

在此基礎是對潛沒式液貨泵吸口間距進行仿真分析，重點是探討泵正常工作情況下吸口間距的確定問題，同時如果輸送介質粘度較大，還需考慮介質的影響。

1 模型與計算方法

1.1 吸口間距定義

潛沒式液貨泵吸口與吸入井的距離見圖1，實際泵安裝過程中，吸口間距會各不相同，此距離的變化范圍必須合理，既要滿足最小液貨殘留量的要求，還要滿足泵運行不發生汽蝕的要求。

圖1 吸口間距示意

1.2 模型建立

選用的泵是自主設計的潛沒式液貨泵，其設計流量Q=300 m3/h，轉速n=2 620 r/min，揚程H=110 m，必須汽蝕余量NPSHr=5.5 m，比轉速ns=81.3?？紤]吸入井后的幾何模型見圖2，初始設計吸口間距為30 mm。

圖2 計算幾何模型

1.3 計算方法

CFD數值計算選取非結構化四面體網格和結構化六面體網格相結合的混合網格對計算模型進行離散，近壁面區進行網格加密處理，整機網格數在150萬左右，滿足網格無關性的要求。利用CFX軟件進行定常計算，選擇SSTk-ω湍流模型，計算時設置入口條件設置為總壓，出口條件設為質量流量出口，壁面采用無滑移固壁邊界，收斂精度設為10-5。

選取Rayleigh-Plesset汽蝕模型，介質選取25 ℃清水，汽化壓力設置為3 574 Pa。

2 計算結果與討論

2.1 初始吸口間距下泵的性能仿真結果

初始吸口間距30 mm下仿真計算的泵性能見表1，計算揚程比設計要求高6.8%，效率比設計要求高2.5%，額定工況下的性能參數均優于設計要求。

表1 額定工況性能對比表

仿真計算得到的泵汽蝕余量見圖3，以泵揚程下降3%為界[11]，確定泵的臨界汽蝕余量NPSHc為2.70 m。該泵在離心泵閉式試驗臺上測試的臨界汽蝕余量為2.52 m，可以看出，初始吸口間距已對泵的汽蝕性能產生了影響，使泵的臨界汽蝕余量有所提高，但影響不大，可以忽略不計。這說明該吸口間距下，液貨殘余量滿足要求，且對泵的正常運行也不會產生不良影響。

圖3 泵汽蝕余量計算值

2.2 不同吸口間距對泵汽蝕性能的影響

圖4 吸口間距與泵臨界汽蝕余量的關系

以初始吸口間距為參照，分別選取不同間距值并仿真計算泵的臨界汽蝕余量。仿真得到的吸口間距與泵臨界汽蝕余量的變化見圖4。從圖4可以看出，吸口間距以30 mm左右為臨界值，大于30 mm后泵臨界汽蝕余量基本不變。但隨著吸口間距的減小，泵臨界汽蝕余量值明顯升高，當臨界汽蝕余量值升高到比必須汽蝕余量NPSHr高時，泵在運行過程中就會發生汽蝕，這種狀態應該避免。將此時對應的吸口間距稱為極限吸口間距，實際最小吸口間距應在極限吸口間距的基礎上增加一定余量。

相同汽蝕余量(NPSH=3.72 m),不同吸口間距下的潛液泵中面(圖2所示剖面)流場內的氣相體積分數見圖5。

圖5 不同吸口間距下模型中面內氣相體積分數

從圖5可以看出，隨著吸口間距的降低，流場內的氣相分布逐漸增加，圖5a)中僅在入口附近存在氣相，且分布范圍非常窄；圖5b)中氣相的分布范圍有所擴展，并有向葉輪出口擴展的趨勢，表明此時泵已處于汽蝕初生狀態；圖5c)中氣相的分布范圍已很廣，幾乎占據了葉輪中部的整個流道，汽蝕現象已經非常明顯；圖5d)中氣相分布已占據整個葉輪區域，汽蝕已十分嚴重，實際過程中泵此時已斷流，無法工作。

圖4和圖5的規律表明，吸口間距存在一個臨界值，當間距大于該值時，泵臨界汽蝕余量基本不隨間距變化而變化，當間距小于該值時，泵臨界汽蝕余量隨間距的減小而劇烈升高。

2.3 吸口間距范圍確定

根據圖4確定文中模型泵實際最小吸口間距為25.0 mm(極限吸口間距上增加一定余量)，即要保證泵正常工作，泵安裝后必須保證吸口間距至少為25.0 mm。當吸口間距大于25.0 mm時，泵均能保證正常工作，不會有汽蝕風險，但隨著吸口間距增加，泵的臨界汽蝕余量趨于平穩；但艙室內液貨殘余量會隨之增加，考慮減少液貨殘余量，實際上有必要規定一個吸口間距的上限值。該上限值與液貨殘余量的標準要求、吸口井的大小、泵的大小等均有關系，需視具體情況而定。對于文中的模型泵，規定其吸口間距上限值為35.0 mm，即該泵在正常安裝過程中，要保證吸口間距在25.0～35.0 mm的范圍內。

3 試驗驗證

3.1 試驗臺

試驗臺的布置見圖6，水池用于模擬實際艙室環境，水池邊的塔架用于固定潛沒式貨油泵。整個水池長20 m，寬15 m，深6 m，塔架高24 m，試驗采用原型泵。

圖6 試驗裝置示意

3.2 初始吸口間距

泵安裝在試驗臺后調整吸口間距為30 mm，測量泵的外特性見圖7。

圖7 試驗泵的性能

測得泵揚程比仿真結果高，小流量時偏差大于大流量時的偏差，額定流量(300 m3/h)之后揚程曲線趨勢基本保持一致；試驗軸功率高于仿真計算軸功率，這是由于制造誤差及仿真計算簡化了實物模型并忽略了局部損失，軸功率的增加使得試驗測試效率低于仿真值。整體來看，仿真與試驗結果的誤差均屬于正常誤差范圍內，仿真結果能夠準確預測泵的性能。

3.3 不同吸口間距的試驗結果

試驗過程中調整吸口間距，分別進行泵的揚程測量，結果見圖8。從圖8可以看出，吸口間距分別為30.0 mm和25.0 mm時，泵的揚程曲線基本吻合，試驗測試過程中泵的運轉狀況良好，當吸口間距調整到22.5 mm時，測試泵的揚程曲線出現了陡降，這說明泵在運轉中已發生嚴重汽蝕，試驗過程中泵的振動和噪音劇烈增加。

圖8 不同吸口間距下泵的揚程

隨著吸口間距的減小，泵入口的阻力增大，壓降升高，到達葉輪葉片前端時，如果壓降降低到液體汽化壓力以下，就會發生汽蝕現象，汽蝕現象進一步發展，泵就會達到嚴重汽蝕狀態，泵的揚程出現陡降，振動噪音異常，不能正常工作。

4 結論

1)吸口間距與潛沒式液貨泵的汽蝕性能關系密切，當吸口間距大于臨界值時，泵汽蝕性能基本不隨間距變化而變化，當吸口間距小于臨界值時，隨著間距的減小泵汽蝕性能會急劇惡化，直至泵不能正常工作。實際工程安裝過程中，需保證吸口間距在確定的范圍內，才能充分發揮泵的作用。

2)仿真結果與試驗結果基本吻合，驗證了仿真分析方法的準確性，能夠用于研究吸口間距的確定問題。所選取的研究介質為清水，對于粘度比清水大的介質，泵吸口間距會比清水介質的要求更大，具體規律還有待深入的仿真與試驗研究。