葉輪葉頂厚度對噴水推進軸流泵空化性能的影響研究

李 臣，李普澤

(1. 江蘇海事職業(yè)技術學院 輪機電氣與智能工程學院，江蘇 南京 211170；2. 大連推進器有限責任公司，遼寧 大連 116026)

0 引 言

由于噴水推進泵具有操縱性能好、機動靈活、推進效率高，以及振動噪聲低等眾多優(yōu)點，近年來其廣泛應用于高性能船艇，國內外學者也對其性能和結構設計開展了大量研究[1]。然而，這些研究大多集中于噴水推進泵的結構設計[2]、水力性能優(yōu)化[3-5]以及參數(shù)選擇[6-7]等領域，而對于其在水動力學領域普遍存在的空化機理以及參數(shù)對空化現(xiàn)象的影響研究較少。羅劍[8]、劉仲祥[9]等研究了翼型和彎曲葉片對噴泵抗空化特性的影響，蘇永生[10]、劉承江[11]等分析研究了在空化條件下推進特性的變化規(guī)律，但是對葉輪葉片厚度等參數(shù)的影響規(guī)律研究很少。劉國輝[12]等分析了不同葉片厚度時混流泵的水力特性及流場情況的變化規(guī)律，張建華[13]以離心泵為模型，對比3種不同比轉速時離心泵的水力性能及抗汽蝕性能隨葉片厚度的變化規(guī)律。朱亮[14]、沙毅[15]等研究了葉片厚度變化對普通軸流泵性能的影響規(guī)律，取得了低揚程時空化性能較好的軸流泵的葉片厚度分布規(guī)律。基于以上研究，本文分析葉片厚度參數(shù)對噴水推進軸流泵空化性能的影響規(guī)律，以獲得軸流式噴水推進泵空化特性較好的葉片厚度分布。

1 計算模型與數(shù)值方法

本文采用的噴水推進泵模型基本參數(shù)如下：葉輪外徑D=300 mm，葉輪葉片數(shù)z1=5，導葉葉片數(shù)z2=9，比轉速ns=811，設計轉速n=1 450 r/min?？紤]網格數(shù)量和周期性計算，模型采用單通道計算域，如圖1所示。為保持最大厚度分布規(guī)律不變，設定葉輪葉根最大厚度為10 mm且位于40%弦長位置，改變葉頂處最大厚度，分別設計為3 mm，5 mm，7 mm及9 mm，同時保證葉頂至葉根最大厚度呈線性分布。

采用NUMECA的AutoGrid5模塊來完成網格劃分，網格模型如圖2所示。葉片區(qū)域網格均采用OH型，為了加密葉片近壁面網格以保證y+值接近1，其近壁面網格采用O型網格。為了減少網格數(shù)量對計算結果的影響，進行網格無關性驗證，結果如圖3所示。當模型計算域網格數(shù)為134萬，進一步增加網格數(shù)目，本模型效率的變化在0.5%以內，揚程的變化范圍僅有0.36%，因而選用134萬網格進行計算（葉輪和導葉網格數(shù)分別為81萬、 53萬）。

圖2 計算網格Fig. 2 Grid of calculation

圖3 水力性能隨網格數(shù)的變化曲線Fig. 3 The hydraulic performance vs grid number

計算模型為標準k-ε湍流模型，近壁區(qū)域設置為標準壁面函數(shù)，葉輪與導葉的數(shù)據(jù)傳遞方法設置為混合平面法。通過Mixture均質多相模型和Schner Sauer空化模型來模擬空泡的生長和潰滅，進而模擬空化變化情況。介質的飽和蒸汽壓力設置為3 540 Pa，水的表面張力為0.071 7 N/m，水蒸汽密度為0.025 58 kg/m3。在進口處，空泡體積設置為0，水的體積設置為1。計算中先采用非空化計算獲取初始值，以此為基礎進行空化計算，既保證了收斂的可靠性，又提高了計算的速度。

2 計算結果分析

2.1 參數(shù)定義及關系

在水力計算中通常用必需汽蝕余量（NPSHr）來衡量水泵的空化性能，用裝置汽蝕余量（NPSHa）來衡量葉輪與進水流道等泵裝置的空化特性，當NPSHa＞NPSHr時，水泵不會發(fā)生空化現(xiàn)象，當NPSHa=NPSHr時，空化初生，當NPSHa＜NPSHr時，由于泵裝置內部流場壓力小于流體發(fā)生汽化時的最低壓力，水泵內流體的空化將進一步發(fā)展。本文計算NPSHr的方法是保持噴水推進泵流量恒定，降低噴水推進泵出口壓力，得到揚程隨NPSHa的變化曲線。當水泵揚程降低約3%時，此時NPSHa=NPSHr，此時的NPSHa也稱為發(fā)生空化的臨界汽蝕余量。汽蝕比轉速C標志著噴水推進泵抗汽蝕性能的優(yōu)劣，由NPSHr計算可知，噴水推進泵的汽蝕比轉速越大，其抗汽蝕性能就越好[16]。

計算公式如下：

式中：Pin為泵進口壓力，Pa；Pv為飽和蒸汽壓力，Pa；n為轉速，r/min；Q 為流量，kg/m3。

2.2 空化性能分析

為了研究葉輪葉頂厚度對噴水推進泵水力性能的影響規(guī)律，保持葉根處最大葉片厚度為10 mm且位置不變，改變葉頂處最大厚度為3 mm，5 mm，7 mm及9 mm。如圖4所示。當小流量工況（Q＜444 kg/s）時，葉頂最大厚度增加，其水力效率上升；而當流量超過444 kg/s，特別是超過額定流量（484 kg/s）時，水力效率的變化規(guī)律相反，當葉頂最大厚度增加，其水力效率下降，且在相同的流量下，最高效率點降低。

圖4 葉頂最大厚度變化時效率隨流量的變化曲線Fig. 4 The curve of efficiency vs flow rate with different the maximum thickness of blade tip

圖5給出了額定工況（流量為484 kg/s）時不同葉片葉頂最大厚度時的噴泵揚程變化曲線。從圖5可以看出，隨著葉片葉頂厚度的增加，葉片排擠系數(shù)增加，通流面積變小，葉輪進口的水流軸向流速變大，導致S3流面上的水流攻角變小，揚程減小，因此，葉輪葉頂厚度不宜過大。同時當NPSHa＞15 m時，隨裝置汽蝕余量的減小，揚程基本保持不變，這時空泡數(shù)量很少，空化尚未發(fā)生；當裝置汽蝕余量繼續(xù)變小至接近必需汽蝕余量時，揚程略微上升，這是由于產生的一些空泡附著于葉片表面，降低了流阻損失；當裝置汽蝕余量繼續(xù)變小時，葉片表面產生大量氣泡，引起流道堵塞進而導致噴泵揚程迅速下降，甚至可能產生汽蝕。

圖5 不同葉頂最大厚度時噴泵揚程變化曲線Fig. 5 The curve of pump head with different maximum thickness of blade tip

為了定量地描述不同葉片厚度對噴水推進泵汽蝕參數(shù)的影響情況，研究不同厚度方案時的噴泵汽蝕參數(shù)，如表1所示。從表1可知，葉片最大厚度變化對其抗汽蝕性能的影響也較為明顯。當葉頂最大厚度為3 mm時，臨界汽蝕余量值為8.5 m，汽蝕比轉速C達到1 136，隨著其值的增加至9 mm時，噴泵的臨界汽蝕余量增大至9.4 m，增加了10.5%，而汽蝕比轉速降低至1 056，降低了7.2%，這說明噴泵的抗汽蝕特性下降較多。因此，將葉片厚度合理減薄、最大厚度位置適當后移是提升噴水推進泵抗汽蝕性能的有效方法。

表1 不同厚度方案時的噴泵的汽蝕參數(shù)值Tab. 1 Cavitation petformance parameters of pump

2.3 流場分析

2.3.1 不同葉片葉頂厚度時的空化流場分析

為了研究不同葉頂厚度時的空化發(fā)展情況，分析NPSHa=NPSHr時噴泵葉輪吸力面的汽相體積分數(shù)，如圖6所示。從圖6可知，空化區(qū)域集中在葉片進口，從葉根擴展至葉頂區(qū)域，隨著葉頂最大厚度的增加，葉輪吸力面的汽相體積分數(shù)面積增大。當葉頂最大葉片厚度增加到9 mm，汽相體積分數(shù)面積將近葉片吸力面面積的1/3，表明空化已經發(fā)展至一定程度。

為了更清楚地分析空泡發(fā)展情況，研究葉輪汽相體積分數(shù)為0.1的等值面，如圖7所示。圖中，淺色區(qū)域代表葉輪表面的空化分布情況。可以看出，隨著葉頂最大厚度的增大，葉片吸力面汽相體積分數(shù)區(qū)域面積增加顯著，汽相體積分數(shù)區(qū)厚度也在增加，在淺色區(qū)域頂部附近向尾緣延伸。當最大葉頂厚度為3 mm，葉頂處泄漏渦引起的淺色區(qū)頂部向流道緩慢擴展，沒有出現(xiàn)向相鄰葉片壓力面大幅延伸而堵塞流道的情況。

圖6 葉輪吸力面汽相體積分數(shù)云圖Fig. 6 Vapor volume fraction of impeller suction surface

圖7 葉輪汽相體積分數(shù)等值面圖Fig. 7 Isosurface of vapor volume fraction of impeller

為分析葉片厚度對噴泵葉輪表面流動的影響，研究不同葉頂最大厚度時葉輪吸力面的極限流線，如圖8所示?？梢钥闯觯趫D6和圖7的汽相體積分數(shù)位置是低壓區(qū)域。在最大葉頂厚度為3 mm的葉輪吸力面進口處，流動先附著再分離，壓力交界面形成徑向渦，這是由于葉頂厚度較薄使流過葉頂間隙的流體回流至吸力面低壓區(qū)域，引起流動徑向偏移。當最大葉頂厚度增加，低壓區(qū)面積增大，回流區(qū)域面積增加，徑向渦更加明顯（圖中橢圓區(qū)域），葉輪吸力面角區(qū)分離減小。

圖8 葉輪吸力面極限流線Fig. 8 Limiting streamline of impeller suction surface

最后分析20%c處在S3流面上渦量圖，如圖9所示。從圖9看出，S3流面的渦量值分布并不均勻，隨著葉頂厚度的增加，渦量值大小分布趨于平緩，汽液混合區(qū)流動結構變好，更不容易形成旋渦，汽相體積分數(shù)所代表的空化區(qū)面積基本不變，水力損失會減小。但是由于葉頂泄漏流的干擾作用，流道流體在葉頂附近向外側翻轉，容易形成旋渦，因此在葉頂附近的渦量值較高。隨著葉頂厚度的增加，較大渦量值的范圍逐漸變小，空化向下游發(fā)展。

圖9 擬S3流面渦量云圖與汽相體積分數(shù)云圖對比Fig. 9 Vorticity and vapor volume fraction comparison chart on quasi-S3 surface

3 結 語

本文研究葉頂最大厚度對噴水推進泵空化特性和流場的影響情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，葉頂最大厚度對噴水推進泵的空化特性產生一定影響，當葉頂最大厚度增加時，在小流量工況，其水力效率上升；而當流量超過444 kg/s，特別是超過額定流量時，其水力效率反而下降，且在相同的流量下，最高效率點降低；隨葉頂最大厚度的增加，噴泵揚程減小，抗空化性能下降，汽蝕比轉速減小，相同裝置汽蝕余量下，空化面積增加。因此，本文選擇的葉頂最大厚度為3 mm。選擇合理葉頂最大厚度，可有效提高抗汽蝕特性，避免發(fā)生局部空化。

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