不同工況下誘導(dǎo)輪對自吸離心泵汽蝕影響的研究

岳彬，李濤，張一鳴，顧玉華

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

引言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，石油、化工及水力電力等行業(yè)對具有優(yōu)良進(jìn)口性能的離心泵的需求與日俱增。泵[1]在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過流部分的局部區(qū)域因?yàn)槟撤N原因，當(dāng)抽送的液體絕對壓力降到當(dāng)時(shí)溫度的汽化壓力時(shí)，液體就會(huì)在該處開始汽化，形成氣泡。這些氣泡隨液體向前流動(dòng)，到某高壓處時(shí)，則氣泡會(huì)在該區(qū)破滅。如果氣泡的破滅發(fā)生在壁面附近，就會(huì)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象,隨著頻率很高的局部水擊，經(jīng)過一定時(shí)間之后就會(huì)對過流部件的表面造成破壞。這種產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭到破壞的過程就是泵的汽蝕。

汽蝕破壞是引起離心泵故障的主要原因之一，如何提高離心泵的汽蝕性能是流體機(jī)械泵研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。一般泵汽蝕發(fā)源地是泵的葉輪進(jìn)口處，所以要根治汽蝕必須防止在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生氣泡。衡量泵抗汽蝕性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)是汽蝕余量。泵汽蝕余量的物理意義表示液體在泵進(jìn)口部分壓力下降的程度。若泵的汽蝕余量低，則該泵的抗汽蝕性能好，反之則抗汽蝕性能差。

在泵進(jìn)口加置誘導(dǎo)輪[2-6]是提高泵抗汽蝕性能的主要方法之一。與其它改善泵抗汽蝕性能諸多措施相比，加置誘導(dǎo)輪的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、易于制造安裝，造價(jià)較低、通用性強(qiáng)、維修更換方便，更適用于整個(gè)泵機(jī)組的改造。由于工作環(huán)境及泵本身性能的限制，很多情況下需要在離心泵前加裝誘導(dǎo)輪來滿足使用要求。

1 研究對象及數(shù)值模擬

1.1 研究對象

本文主要針對XX型加油車用某型自吸離心泵進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算[7,8]研究，該泵主要由殼體、葉輪、齒輪箱等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要針對該泵在高原高寒下的水力性能和汽蝕性能展開研究。高原海拔為4 500 m，最低運(yùn)行溫度為-40 ℃，首先，泵組輸送的介質(zhì)為3號(hào)噴氣燃料，其物理性質(zhì)如表1所示，其粘度相比于常溫常壓下的水較大，導(dǎo)致泵組在工作過程中摩擦損失較大，因此需對該介質(zhì)下泵的性能展開數(shù)值計(jì)算研究；其次由于泵組要在高海拔下安全運(yùn)行，并且需要保證一定的吸深高度，因此該泵需要非常好的汽蝕性能，一般泵組在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)通過水力設(shè)計(jì)兼顧汽蝕性能，但對于高要求的汽蝕性能的泵組，一般常采用前置誘導(dǎo)輪來大幅提高泵組的抗汽蝕能力，以達(dá)到特定的工況需求。

泵總裝結(jié)構(gòu)總裝圖如圖1所示，圖1（a）是無誘導(dǎo)輪的離心泵總裝，分別為葉輪、蝸殼和分離腔組成，圖1（b）是誘導(dǎo)輪的離心泵總裝，在圖1（a）的基礎(chǔ)上進(jìn)口位置增加誘導(dǎo)輪。

下面具體給出泵的具體運(yùn)行參數(shù)和葉輪的基本參數(shù)，表2為離心泵的幾何參數(shù)和額定工況點(diǎn)。

1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值仿真計(jì)算的網(wǎng)格建立和劃分按照實(shí)際模型進(jìn)行，本文研究對象結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中誘導(dǎo)輪和葉輪同軸旋轉(zhuǎn)，而進(jìn)口引水管運(yùn)行時(shí)存在進(jìn)口管與誘導(dǎo)輪、葉輪與蝸殼間的動(dòng)靜干擾問題。考慮流動(dòng)的復(fù)雜性，選取從進(jìn)口引水管到出水引水管的360 °全流道進(jìn)行計(jì)算。此外，為了避免內(nèi)部流場對進(jìn)出口邊界有影響，對進(jìn)出口管段延伸，長度約為10倍進(jìn)出口管道直徑。建模模型分為進(jìn)口段、葉輪旋轉(zhuǎn)域和蝸殼及分離腔靜止域三部分，如圖2（a）所示，對葉輪區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；如圖2（b）所示, 蝸殼和分離器網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)。

表1 3號(hào)噴氣燃料的基本物理參數(shù)

圖1 離心泵三維幾何模型

表2 離心泵的幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)工況點(diǎn)

圖2 離心泵網(wǎng)格劃分

采用ANSYS CFX對離心風(fēng)機(jī)的三維流場進(jìn)行求解，通過求解雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行模擬。離心泵介質(zhì)（水或油）為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略重力和溫度對流場的影響，離心泵流動(dòng)基本上都是紊流狀態(tài)，湍流模型采用RNG k-ε模型，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC算法，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量，葉輪與進(jìn)口及蝸殼間交界面設(shè)置成動(dòng)靜交界面，靜止域和轉(zhuǎn)動(dòng)域采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法連接。所有固體壁面均為無滑移、絕熱壁面，收斂精度設(shè)為1×10-5。空化汽蝕模擬計(jì)算以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算的初始條件，收斂精度與穩(wěn)態(tài)一致。設(shè)置如圖3所示。

為了獲得泵的汽蝕余量，通過改變進(jìn)口壓力使離心泵發(fā)生空化，記錄不同吸水室壓力下的泵汽蝕性能。

為后續(xù)全面展開離心泵在不同環(huán)境下3號(hào)噴氣燃料介質(zhì)使用工況下的仿真計(jì)算，需首先驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，該泵（帶誘導(dǎo)輪）在水力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行過常溫水質(zhì)下的試驗(yàn)，對其進(jìn)行仿真計(jì)算并和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以驗(yàn)證仿真計(jì)算的可靠性，為離心泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化和工程應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。邊界條件設(shè)置如表3所示。

通過上述的方法對自吸離心泵進(jìn)行仿真計(jì)算，通過仿真計(jì)算結(jié)果可以得出泵組的外特性曲線，如圖4所示，泵外特性的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)對比結(jié)果可以看出，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果較試驗(yàn)偏高，由于數(shù)值計(jì)算中忽略了前后蓋板間隙等流動(dòng)損失，造成計(jì)算結(jié)果數(shù)值偏大，在額定工況點(diǎn)Q=100 m3/h時(shí)其誤差約為7 %，但其趨勢在全流量基本保持一致，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果可以為葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供一定的參考。

2 離心泵在噴氣燃料介質(zhì)下性能模擬計(jì)算分析

對離心泵誘導(dǎo)輪下進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分別對介質(zhì)為20 ℃和-40 ℃下的3號(hào)噴氣燃料進(jìn)行計(jì)算。

2.1 無誘導(dǎo)輪離心泵在不同環(huán)境下的仿真計(jì)算

圖5給出了單葉輪分別在葉片數(shù)7、葉片數(shù)9和葉片數(shù)11下的外特性曲線。

圖3 計(jì)算模型前處理設(shè)置

表3 整機(jī)去濾芯試驗(yàn)測試和仿真計(jì)算對比

圖4 泵的性能預(yù)測與試驗(yàn)值對比

圖5 不同環(huán)境下泵在3號(hào)噴氣燃料下的外特性曲線

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，圖5為不同環(huán)境下泵在3號(hào)噴氣燃料下的外特性曲線，得出泵組的外特性曲線，和圖4水介質(zhì)的外特性對比，泵外特性的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)對比結(jié)果可以看出，水介質(zhì)和3號(hào)噴氣燃料介質(zhì)的壓力-流量性能曲線趨勢一致，可以看出介質(zhì)的變化會(huì)影響泵的壓升，而不會(huì)改變泵的性能，類似于泵的相似換算，后期可以針對不同的介質(zhì)進(jìn)行研究，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。

隨著環(huán)境溫度的降低，介質(zhì)的粘度會(huì)隨溫度的降低而增大，當(dāng)介質(zhì)粘度增大，會(huì)造成揚(yáng)程降低，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)粘度增大，在流動(dòng)過程中介質(zhì)和葉輪的摩擦力增大，因此造成揚(yáng)程降低，在額定工況Q=100 m3/h時(shí)，泵在-40 ℃環(huán)境下工作較在20 ℃環(huán)境下其表壓降低了4.13 %，說明粘度對泵組性能的影響較大，在高寒環(huán)境下進(jìn)行工作時(shí)，為滿足特定需求需要適當(dāng)?shù)奶岣弑媒M的轉(zhuǎn)速。

2.2 有誘導(dǎo)輪不同環(huán)境下的仿真計(jì)算

如圖6所示，對不同介質(zhì)工況下泵的性能進(jìn)行對比，工況1、工況2、工況3和工況4分別為：無誘導(dǎo)輪、常溫常壓，無誘導(dǎo)輪、高原高寒，誘導(dǎo)輪、常溫常壓和誘導(dǎo)輪、高原高寒，數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到，泵組在額定工況下（Q=100 m3/h）分別在20 ℃ 和-40 ℃環(huán)境工況下的表壓分別為1.27 MPa和1.21 MPa。其中趨勢和無誘導(dǎo)輪計(jì)算結(jié)果相同，隨著介質(zhì)粘度的增加，其壓升會(huì)相應(yīng)的降低。

由數(shù)值計(jì)算仿真外特性可以得到和無誘導(dǎo)輪計(jì)算仿真結(jié)果相同的結(jié)果，溫度越低，粘度越大，表壓越低，因此在優(yōu)化時(shí)和設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮環(huán)境變化引起介質(zhì)粘度的變化所導(dǎo)致的泵壓變化。

圖7是葉輪區(qū)域的渦核分布圖。圖示在靠近上部蝸舌處的葉輪流道內(nèi)有明顯的渦核，并且有無誘導(dǎo)輪均在-40 ℃時(shí)的工況更為嚴(yán)重，有可能是介質(zhì)粘度增大所產(chǎn)生的摩擦力加巨了葉輪內(nèi)部的渦流，因此導(dǎo)致其揚(yáng)程有所降低。渦流分布的位置都是位于葉輪出口在靠近蝸殼上部蝸舌處。

3 離心泵在噴氣燃料介質(zhì)下汽蝕模擬計(jì)算分析

為滿足泵組在高原高寒工況下安全運(yùn)行（大氣壓59 781.7 Pa和-40 ℃），不僅泵組的性能參數(shù)要滿足要求，汽蝕性能是保證泵組安全運(yùn)行的最主要的參數(shù)之一，因此必須對泵組的汽蝕性能進(jìn)行考核。在額定工況下必須滿足低氣壓下（59 781.7 Pa）和3 m的吸深要求，并且要保證0.5 m的安全余量，因此泵組的汽蝕余量不能大于2.5 m，運(yùn)行工況環(huán)境相當(dāng)嚴(yán)酷。

圖6 3號(hào)燃料介質(zhì)在不同工況下的性能比對

圖7 葉輪區(qū)域的渦核分布圖

計(jì)算模型采用性能計(jì)算模型進(jìn)行汽蝕仿真計(jì)算，對有無誘導(dǎo)輪進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算額定工況流量Q=100 m3/h下泵的汽蝕性能，采用與實(shí)驗(yàn)相同的方法，通過降低泵的進(jìn)口壓力使其產(chǎn)生汽蝕，進(jìn)而得到泵在額定工況下的汽蝕性能，汽蝕的參考標(biāo)準(zhǔn)為泵的揚(yáng)程下降超過3 %即認(rèn)為發(fā)生汽蝕。分別對無誘導(dǎo)輪離心泵在不同環(huán)境下（20 ℃和-40 ℃）進(jìn)行汽蝕仿真計(jì)算，其中設(shè)20 ℃和-40 ℃環(huán)境下的飽和蒸汽壓力分別為3 200 Pa和3 000 Pa，進(jìn)口壓力邊界條件從入口靜壓（101 325 Pa和59 781.7 Pa）依次以10 000 Pa遞減，直至泵發(fā)生汽蝕停止計(jì)算，在汽蝕點(diǎn)附近可以適當(dāng)增加工況點(diǎn)。

3.1 汽蝕仿真外特性結(jié)果分析

對離心泵有無誘導(dǎo)輪在不同環(huán)境工況下進(jìn)行汽蝕仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在無誘導(dǎo)輪情況下，-40 ℃工況下的飽和蒸氣壓值偏小，空化汽蝕余量為3.92 m，20 ℃的空化汽蝕余量為5.23 m，因此隨著環(huán)境溫度的變低，其飽和蒸汽壓力值減小，汽蝕余量值變小。帶誘導(dǎo)輪離心泵汽蝕計(jì)算結(jié)果趨勢基本和無誘導(dǎo)輪一致，-40 ℃工況下，空化汽蝕余量為1.31 m，20 ℃的空化汽蝕余量為1.96 m。同介質(zhì)隨著溫度的降低汽蝕余量隨之降低。在同樣環(huán)境溫度下，加裝誘導(dǎo)輪后，泵的抗汽蝕能力明顯增強(qiáng)，20 ℃的空化汽蝕余量為1.96 m，較無誘導(dǎo)輪泵組減小了3.27 m，降低了62.52 %，-40 ℃工況下，空化汽蝕余量為1.31 m，較無誘導(dǎo)輪泵組減小了2.61 m，降低了66.58 %。

3.2 汽蝕仿真性能結(jié)果分析

設(shè)工況A為當(dāng)前環(huán)境下大氣壓設(shè)為進(jìn)口壓力的汽蝕計(jì)算結(jié)果，工況B為已經(jīng)完全汽蝕的計(jì)算點(diǎn)。圖9～圖12為Z=O截面（葉輪軸面中間截面）的空泡形態(tài)。

圖9和圖10依次對應(yīng)了圖8中曲線的實(shí)心點(diǎn)中空泡的形態(tài)的兩個(gè)工況點(diǎn)。從揚(yáng)程曲線可以看出：當(dāng)NPSH值較大時(shí)泵的能量特性幾乎不受影響，出口壓力變化不大（工況A）；隨著NPSH的逐步降低，揚(yáng)程出現(xiàn)不同程度的下降趨勢，說明此時(shí)泵葉輪內(nèi)已開始發(fā)生空化（工況B）；NPSH值繼續(xù)變小時(shí)出口壓力陡降，此時(shí)葉輪內(nèi)空化區(qū)域逐步增大。出口壓力的急劇下降對應(yīng)于空化區(qū)域的驟然變化，主要是由于成長的空泡急劇增大導(dǎo)致葉輪部分有效過流面積減小造成的。圖11和圖12為帶誘導(dǎo)輪的離心泵葉輪的空泡形態(tài)，與無誘導(dǎo)輪的計(jì)算結(jié)果趨勢一致。

圖8 有無誘導(dǎo)輪下泵的汽蝕余量對比

圖9 無誘導(dǎo)輪離心泵20 ℃下葉輪的空泡形態(tài)

圖10 無誘導(dǎo)輪離心泵-40 ℃下葉輪的空泡形態(tài)

圖11 帶誘導(dǎo)輪離心泵20 ℃下葉輪的空泡形態(tài)

圖12 帶誘導(dǎo)輪離心泵-40 ℃葉輪的空泡形態(tài)

4 結(jié)論

針對泵組在不同工況運(yùn)行條件，通過數(shù)值計(jì)算仿真結(jié)果對比可以得到：

1）在無誘導(dǎo)輪的情況下，泵的汽蝕余量數(shù)值較大，抗汽蝕能力相對較差，尤其在高原高寒環(huán)境下，在額定流量工況下必須滿足低氣壓下（59 781.7 Pa）和3 m的吸深，汽蝕余量不能超過2.5 m，仿真計(jì)算結(jié)果得到，-40 ℃工況下的飽和蒸氣壓值偏小，空化汽蝕余量為3.92 m，20 ℃的空化汽蝕余量為5.23 m，因此該泵組在無誘導(dǎo)輪的情況下不能在該環(huán)境下運(yùn)行，極易發(fā)生汽蝕，導(dǎo)致葉輪損壞，泵組停止工作。

2）泵組加裝誘導(dǎo)輪后其抗汽蝕能力得到很大的提高，20 ℃的空化汽蝕余量為1.96 m，較無誘導(dǎo)輪泵組減小了3.27 m，降低了62.52 %，-40 ℃工況下，空化汽蝕余量為1.31 m，較無誘導(dǎo)輪泵組減小了2.61 m，降低了66.58 %。因此誘導(dǎo)輪可以有效的提高泵組的抗汽蝕能力，并且能滿足高原高寒的運(yùn)行工況。

3）數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，無誘導(dǎo)輪泵組不能滿足在高原工況下保證3 m的自吸高度下運(yùn)行，通過加裝前置誘導(dǎo)輪可以滿足系統(tǒng)工況運(yùn)行，通過數(shù)值計(jì)算仿真為泵組的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)，具體參數(shù)性能需通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，以保證安全可靠。