葉片進(jìn)口修緣對(duì)離心泵汽蝕性能影響的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究

0 引 言

離心泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、樓宇、核電等領(lǐng)域。長(zhǎng)期以來，離心泵的汽蝕性能一直是泵性能考核的關(guān)鍵點(diǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)泵汽蝕性能要求越來越高，空化的發(fā)生會(huì)引起水泵運(yùn)行特性的改變、空蝕破壞、振動(dòng)和噪聲等一系列問題，空化嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箼C(jī)組無法正常運(yùn)行。空化流屬于非穩(wěn)態(tài)的汽液兩相流，其多尺度、多學(xué)科交叉的特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的難點(diǎn)問題之一。如何提高離心泵的汽蝕性能，還沒有形成統(tǒng)一的方法，需要繼續(xù)開展相關(guān)工作。

研究的離心泵是一種端抽式的雙吸泵，為鍋爐給水泵的前置泵，對(duì)其汽蝕性能要求較高。為改善其汽蝕性能，采用兩種經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)口修緣形式，修緣方案如圖1。方案1、2均對(duì)葉片進(jìn)口端的工作面修削達(dá)到進(jìn)口厚度的1/3，方案1葉片進(jìn)口至最大厚度處采用直線過渡，方案2采用較大曲率的弧線過渡。

圖1 葉片進(jìn)口原型與修緣方案1、2

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在2級(jí)精度的T8離心泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2、圖3所示。泵和電機(jī)的測(cè)量測(cè)試由泵產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過自帶的分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到泵額定轉(zhuǎn)速下的流量、揚(yáng)程、效率和汽蝕余量。測(cè)量參數(shù)包括泵的進(jìn)出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、電機(jī)的電流、電壓、功率等。

圖2 試驗(yàn)裝置示意

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布置

2 泵的基本參數(shù)

離心泵基本參數(shù)為：流量Q=3 300m3/h、揚(yáng)程H=340m、轉(zhuǎn)速n=1 496r/min，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉輪外徑D2=800mm、葉輪進(jìn)口直徑D1=360mm。葉片數(shù)z=7、基圓直徑D3=840mm。

3 控制方程與計(jì)算方法

3.1 空化湍流控制方程

完整空化模型考慮了空化流動(dòng)中的相變、空泡動(dòng)力學(xué)、湍流壓力脈動(dòng)和流體中含有的不凝結(jié)性氣體的影響，下為控制方程表達(dá)式。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

空泡體積分?jǐn)?shù)方程：

下標(biāo)m- 混合物，下標(biāo)v - 汽化水，i、j - 張量下標(biāo)μm- 混合物粘度，η- 質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，Sv-源項(xiàng)，其中用于模擬空泡產(chǎn)生和潰滅的過程，表達(dá)式為：

式中N -單位控制體內(nèi)的空泡數(shù)，η定義為：

式中δV - 計(jì)算控制體的體積

相變公式：

當(dāng)pv>p時(shí)，空泡的生長(zhǎng)速度為

當(dāng)pv

采用標(biāo)準(zhǔn)k～ε湍流模型使上述的空化控制方程組封閉。湍流模型中的k和ε方程在形式上與單相流動(dòng)相同，但其中的變量均為混合流體的平均量。

計(jì)算中的物性參數(shù)取水溫為300K時(shí)的值，水的空化壓強(qiáng)ρV=3 540Pa，水的密度ρl=1 000kg/m3，流體中不溶解性氣體的質(zhì)量組分fg=15mg/kg，水蒸氣密度ρv=0.025 58kg/m3。空泡表面張力σ=0.017 17N/m。

3.2 計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分

采用UG7.5對(duì)葉輪、進(jìn)水殼體、出水殼體進(jìn)行建模，模型如圖4所示。采用有限體積法將上述控制方程組離散為代數(shù)方程組，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合。為提高空化計(jì)算的收斂速度和計(jì)算的穩(wěn)定性，用單相定常流動(dòng)計(jì)算的收斂結(jié)果作為初場(chǎng)進(jìn)行空化流動(dòng)計(jì)算。

將離心泵從進(jìn)口至出口的全流道作為數(shù)值計(jì)算的求解域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，泵內(nèi)部流道計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 泵體的三維模型

圖5 網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

4 結(jié)果和分析

4.1 原型泵能量性能與汽蝕性能曲線

能量性能與汽蝕性能試驗(yàn)按照水泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3216 -2005執(zhí)行，汽蝕試驗(yàn)時(shí)保持流量不變，逐漸降低模型泵進(jìn)口壓力，提高泵的進(jìn)口真空度，使泵發(fā)生汽蝕。取揚(yáng)程降低達(dá)到[2+（K/2）]%H時(shí)的汽蝕余量的值為泵發(fā)生空化的臨界汽蝕余量，其中 K為型式數(shù)。在數(shù)值計(jì)算中，仿照試驗(yàn)方法，給定出口質(zhì)量流量，通過逐步降低泵進(jìn)口的壓力來減小泵的裝置汽蝕余量，并計(jì)算此時(shí)泵的揚(yáng)程。圖6、圖7為離心原型泵的能量性能與汽蝕性能曲線，可以看出能量性能曲線基本吻合，計(jì)算揚(yáng)程比試驗(yàn)值略低；汽蝕性能曲線揚(yáng)程的變化趨勢(shì)一致，但是數(shù)值分析的臨界汽蝕余量略低。故采用相同的數(shù)值分析方法對(duì)兩種葉片進(jìn)口段形狀修緣后的葉輪進(jìn)行分析。

圖6 原型泵的能量性能Q-H曲線

圖7 原型泵的汽蝕性能NPSH-H曲線

4.2 原型泵空化流動(dòng)的分析

為定性了解離心泵內(nèi)的汽蝕現(xiàn)象，圖8給了額定工況下不同NPSH值時(shí)泵葉輪內(nèi)的空泡體積。從圖中可以看出葉輪內(nèi)空泡體積的靜態(tài)發(fā)展過程，葉片入口背面存在氣核，隨著進(jìn)口壓力的降低，空泡逐漸長(zhǎng)大變多，但此時(shí)泵的性能沒有發(fā)生變化；當(dāng)進(jìn)口壓力逐漸降低到一定程度后，空泡堵塞了葉輪進(jìn)口流道，導(dǎo)致葉輪性能下降，揚(yáng)程降低，當(dāng)揚(yáng)程降低至97%的設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，即認(rèn)為產(chǎn)生了汽蝕。當(dāng)進(jìn)口壓力進(jìn)一步降低后，葉片內(nèi)氣核布滿整個(gè)流道，造成流道嚴(yán)重阻塞，此時(shí)水泵性能嚴(yán)重下降。

圖8 不同NPSH值時(shí)葉輪內(nèi)的空泡體積

4.3 數(shù)值分析的汽蝕性能曲線

數(shù)值分析得到了原型、方案1、2的額定流量下的性能曲線，從表1和圖9可以看出：葉片進(jìn)口邊修緣后泵的汽蝕性能得到了一定的改善。這是因?yàn)榍邢髁巳~片進(jìn)口工作面，葉片的進(jìn)口安放角變大，葉片進(jìn)口的過流能力變大，故泵的汽蝕性能得到改善。采用大曲率曲線光滑過渡比直線過渡的汽蝕性能好，這說明葉片進(jìn)口越解決流線型，葉片的汽蝕性能越好。

表1 數(shù)值分析的原型、方案1、2的額定流量下的性能對(duì)比

圖9 數(shù)值分析的原型、方案1、2的汽蝕性能曲線

4.4 試驗(yàn)研究的汽蝕性能曲線

為驗(yàn)證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)臺(tái)又進(jìn)行了葉片進(jìn)口修緣方案2 的能量性能與汽蝕性能曲線，結(jié)果通過表2和圖10可以看出，葉片進(jìn)口修緣后泵的汽蝕性能得到提高，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值分析的正確性，達(dá)到了改善泵汽蝕性能的目的。數(shù)值分析與試驗(yàn)曲線吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值分析方法的準(zhǔn)確性，結(jié)果比較理想。

圖10 試驗(yàn)研究的原型、方案2的汽蝕性能曲線

表2 試驗(yàn)研究的原型、方案2的額定流量下的性能對(duì)比

5 結(jié) 論

葉片進(jìn)口工作面修緣采用大曲率曲線光滑過渡比直線過渡的汽蝕性能好，葉片進(jìn)口越接近流線型，葉片的汽蝕性能越好。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果吻合度很高，數(shù)值計(jì)算的方法較好地模擬了離心泵內(nèi)的空化流動(dòng)的靜態(tài)特征。研究結(jié)果對(duì)離心泵汽蝕改善的方法具有一定的指導(dǎo)意義。空化與空蝕機(jī)理很復(fù)雜，要深入地研究離心泵汽蝕性能的改善方法，還應(yīng)考慮葉輪密封環(huán)的泄漏以及相間傳熱等因素。

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