船用離心泵葉片參數的改變對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，本文以國內常用的65ZX25-32船用泵為研究對象，在葉輪基本外尺寸和設計轉速相同的情況下，改變葉輪進口流道形狀和葉輪進口邊形狀，運用軟件進行數值模擬計算，得到相應的壓力分布規律，從而判斷出以上兩種參數對離心泵汽蝕性能的影響規律。

關鍵詞：船用離心泵；汽蝕；數值模擬

1. 前言

汽蝕問題一直是造船工業，水利工程，航天工業，流體機械等諸多領域極為關心的問題。在離心泵中，汽蝕所產生的后果是人們所熟知的老大難問題，一旦發生汽蝕，性能將明顯下降。在開始發生汽蝕時，汽蝕區域較小，對泵的工作沒有明顯的影響。當汽蝕發展到一定程度時，氣泡大量產生，影響液體的正常流動，甚至造成液流間斷，振動和噪音加劇，泵的排量、揚程、效率都明顯下降。嚴重的汽蝕可使泵空轉而停止輸液。因此，通過合理方式優化離心泵結構、減輕汽蝕發展程度意義重大。本文試圖通過改變離心泵兩種結構參數即：葉輪進口流道形狀、葉輪進口邊形狀來探討對離心泵抗汽蝕性能的影響。

2. 產生汽蝕的原因

眾所周知，當液體壓力降至與液體溫度相對應的飽和壓力時，液體便會沸騰氣化，此壓力稱為該液體在某一溫度下所對應的飽和壓力。離心泵工作時，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，葉輪進口葉片背部的壓力最低，如圖1上所示的K點處壓力最低。

當K點壓力降至液體自身溫度所對應的飽和壓力時，葉片背部進口處的液體便會沸騰汽化成許多小氣泡。小氣泡隨液體沿葉片向外流動時，壓力逐漸增大。當小氣泡周圍壓力超過飽和壓力時，氣泡受壓，氣泡內蒸汽會突然凝結。小氣泡周圍的液體會以很高的速度向里運動。在小氣泡凝結的瞬間，液體互相撞機，產生很高的局部壓力。若氣泡

在金屬表面上破裂和凝結，則液體質點就像小彈頭一樣，打擊在金屬表面上。在壓力很大和頻率很高的液體質點的連續打擊下，金屬表面會因疲勞而破壞。發生嚴重汽蝕的部位就會被液體質點啄蝕成蜂窩狀或海綿狀孔洞而損壞。

離心泵開始發生汽蝕時，汽蝕區域較小，對泵的正常工作沒有明顯影響，泵的特性曲線也沒有明顯的變化。但當汽蝕發展到一定程度時，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，并發生振動和噪聲，嚴重時使泵不能排送液體。本文以國內常用的65ZX25-32船用泵為研究對象，該泵的揚程H=44.5m，設計流量qv=200 m3/h，轉速n=1475n/min，汽蝕余量NPSHR=1.7m。葉輪的基本幾何參數如表1

3. 改變葉輪參數

3.1. 改變葉輪進口流道形狀

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

事實上，PS不是泵內的最低壓力，葉片進口背部K點的壓力PK才是泵內的最低壓力，因為： ①從泵進口到葉輪進口有摩擦損失和沖擊損失；②葉輪轉動時，葉面與葉背之間有壓差，液體由泵進口流至葉片進口背部時，壓力還要降低。

顯然，泵進口壓力PS與泵內最低壓力PK之壓頭差，與泵進口到葉輪進口流道形狀有關。因此預設流道進口處寬度為32mm，葉輪進口流道形狀分別設計成漸擴型、平直型、漸縮型流道三維模型如圖所示

對所建立的流道模型使用CFD的方法進行模擬計算，三種進口形狀流道的壓力分布圖如圖3所示。

對壓力分布圖和數值計算的結果進行分析，流道進口形狀的不同，離心泵內部流道的流場也不同，離心泵進口處的壓力有所變化，發生汽蝕的可能性也不一樣。在保證流量一定時，流道進口形狀的改變，離心泵的其他性能參數將會發生變化，如表2所示。

由壓力分布圖和表2可知，流道進口形狀為漸擴型時，和平直型的進口相比較，離心泵的揚程增加，但是其效率會有一定程度的降低，離心泵壓力圖也可看出與平直型流道進口相比，壓力降低，發生汽蝕的可能性會增加；當流道進口形狀為漸縮型時，與平直型進口形狀相比較，泵的揚程略微降低，效率也有一定程度降低，但是效率比漸擴型的要高一些，離心泵流道的進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. 改變葉片幾何形狀

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，基于同樣的蝸殼結構的壓出室，以三種不同的厚度變化規律對離心泵葉片進行造型，設計了三種離心泵方案，分析葉片厚度變化規律對離心泵汽蝕性能的影響。方案一、二比方案三在葉片進口邊有較大的曲率。方案三采用從葉片進口到最大厚度處的直線過渡設計，方案一、二采用有一定弧度的曲線設計。三種離心泵方案葉片進口邊形狀如圖4所示。

基于流體分析軟件FLUENT本文在計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]。其連續方程和動量方程為：

本文采用無滑移壁面邊界條件，以單相定常流動的計算結果作為汽蝕流動的初始流場參數。以提高汽蝕計算的收斂速度和計算穩定性，汽蝕計算初場的空泡體積組份賦為0，以進口壓力穩定性來判斷是否達到收斂。根據計算結果，殘差值設為1e-4滿足基本收斂要求。

在設計流量下（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。

圖中所標的數字為空泡體積率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，泵內部發生汽蝕時，氣泡相主要分布在葉輪葉片進口前緣附近，從葉輪后蓋板到前蓋板的氣泡相體積分數依次增大，在葉片進口吸力面靠近前蓋板處氣泡體積分數達到最大，在此區域幾乎為完全氣相，這也是葉片最容易發生汽蝕的部位，圖6的靜壓分布曲線清晰的反映了這一低壓區域，與泵發生汽蝕時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數一次增大，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. 結論

葉輪流道進口形狀的改變會影響離心泵葉輪的抗汽蝕性能，每種類型的離心泵都有適合該類型的流道進口形狀，當選擇合適的流道進口形狀時，離心泵葉輪的抗汽蝕性能和離心泵的其他性能參數都達到最優。同時，葉片進口邊的形狀影響泵的汽蝕性能，分析表明葉片進口邊形狀越接近流線型，泵的抗汽蝕性能越好。

參考文獻

[1]張建華，等.離心泵的葉片進口幾何形狀對泵泵汽蝕性能的影響[J].西北工業大學學報，2010，26（3）：127-130.

[2]羅先武，等.葉輪進口幾何參數對離心泵空化性能的影響[J].清華大學學報：自然科學版，2008，48（5）：836-839.

[3]李顏.基于CFD的船用離心泵葉輪抗汽蝕優化設計[H].大連：大連海事大學，2012.

[4]Singhal A K，Athavale M M，Li H Y，etal.Mathematical basis and validation of the full cavitation model[J].ASME Journal of Fliuds Engineering，2002，124：617-624.

[5]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：任華杰（1987.4-），男，碩士，助理工程師，現從事船舶系統技術研究；E-mail：hjgfsrhj@126.com

孫浩偉（1979.1-），男，本科，核動力工程專業，現從事從事核動力設備監造。