畢智高，林祿彬，李史珍

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.中油國際管道公司中哈天然氣管道項目，北京 100007)

當離心泵所輸液體的絕對壓力降至其所處溫度下的飽和壓力時，液體開始汽化而產生汽泡，氣泡隨液體流動至高壓處發生潰滅，該現象稱為氣蝕，氣蝕是限制離心泵性能提高的主要因素之一。氣蝕余量對于離心泵的設計、試驗和使用都是十分重要的氣蝕基本參數。設計時根據對氣蝕性能的要求進行，若用戶給定了具體使用條件，則泵設計的必需氣蝕余量(NPSHr)必須小于按使用條件確定的有效氣蝕余量(NPSHa)[1]。一般以與不發生氣蝕時的揚程相比下降3%的點為泵氣蝕的臨界點[2-3]。關于泵氣蝕[4-7]國內學者已有較為廣泛的研究。

隨著葉輪外徑的不斷切割，泵的氣蝕性能越來越差是業界的共識，然而對于氣蝕性能變差的原因相關的研究則相對少見。對于大多數泵企，在新產品出廠前進行全直徑葉輪和最小直徑葉輪的氣蝕測試，并利用線性插值法得出中間各個直徑下的氣蝕數據；有時候僅以全直徑下的氣蝕曲線作為所有直徑下葉輪的氣蝕曲線，顯然這種方法不太合理。

為了獲得切割葉輪所導致泵氣蝕性能變差的原因，通過CFX商業軟件，利用CFD數值模擬的方法在額定轉速下對某雙吸離心泵不同葉輪切割直徑下的氣蝕性能進行分析。

1 模型參數與數值模擬

采用的泵模型見圖1。設計工況為流量1 580 m3/h，揚程75 m，轉速1 780 r/min，比轉速為117，最大葉輪直徑430 mm。對該葉輪進行3次切割，分別為390、370和350 mm。

由于雙吸泵結構的對稱性，取進口吸入管段、葉輪旋轉域、蝸殼流道和出口直管段的一半流場為4個計算域。采用ICEM軟件，利用自適應較好且工程中應用廣泛的四面體網格劃分計算域，網格數量依次為100萬、200萬、200萬和50萬，見圖2。

b 蝸殼、吸入室水體網格圖2 計算域網格

采用標準k-ε湍流模型，進口設為總壓邊界條件，出口為流量出口邊界條件，通過改變進口的靜壓調節裝置氣蝕余量。周期面為鏡像對稱邊界，其他均為光滑壁面。動靜交接面采用凍結轉子模式。空化模型選為Zwart，所輸介質為常溫25 ℃的液態純水和氣態水蒸氣，水的飽和壓力設為3 169.6 Pa[8]。

2 結果與分析

以未發生氣蝕條件下的揚程下降3%作為臨界氣蝕點，即該點對應的氣蝕余量為必需氣蝕余量NPSHr。調節進口壓力值[9]，依次計算作出4組葉輪直徑下的NPSHr-Head氣蝕曲線，見圖3。

NPSHr/m圖3 不同切割直徑下葉輪的氣蝕曲線

由圖3可知，隨著葉輪直徑的切割，揚程逐漸降低，因此用以判別NPSHr的揚程下降量較全直徑葉輪也逐漸減少，進而可得出NPSHr呈現逐漸增大的趨勢。在葉輪全直徑時，揚程曲線超過臨界氣蝕點則顯著下降，而對于切割直徑的葉輪超過氣蝕點后，揚程曲線緩慢下降。NPSHr的增幅隨著葉輪的切割越來越大，其趨勢見圖4。

葉輪直徑切割率/%圖4 NPSHr隨葉輪切割量的變化

由圖4可知，葉輪小于10%的切割量，可以認為NPSHr與全直徑的值十分接近。因此，在實際工程應用中，NPSHr曲線從全直徑到最小直徑線性差值并不合理，會導致切割量較小時的葉輪NPSHr估值過高，而切割量較大時的NPSHr估值過低。

不同切割直徑下葉輪葉片的靜壓分布云圖見圖5，不同切割直徑下葉輪葉片的空泡分布圖見圖6。

a D=430 mm

b D=390 mm

c D=370 mm

d D=350 mm圖5 靜壓分布圖

a D=430 mm

b D=390 mm

c D=370 mm

d D=350 mm圖6 空泡分布圖

由圖5和圖6可知，對于相同NPSHa下的不同切割直徑的葉輪，直徑依次減小時其低壓分布區域以及氣蝕發生時的空泡區域的分布都非常相似。由此可以判斷，葉輪的切割不會導致進口的流態變差，進而導致氣蝕的惡化。

4組直徑葉輪條件下從泵的進口到葉輪的出口靜壓變化情況見圖7。

圖7 泵吸入進口到葉輪出口的靜壓變化

由圖7可知,隨著葉輪直徑的減少,泵進口法蘭到葉輪吸入口的壓力降變化并不大,因而葉片進口處的低壓區并無顯著區別。葉輪的切割并不會使葉輪內部的氣蝕程度增加。

綜上可知，葉輪的切割并不會導致進口流態和氣蝕情況的惡化，在進口壓力條件沒發生變化的情況下，氣蝕發生的程度保持一致。但是葉輪的切割導致總揚程的下降，使得3%的揚程下降值對于小直徑的葉輪偏于嚴苛，也成為通過氣蝕曲線計算得出的NPSHr變大的原因。

3 結 論

(1)隨著葉輪的切割，NPSHr呈現增大的趨勢，低于10%的切割，NPSHr的變化不大，高于10%的切割NPSHr迅速增加；

(2)隨著葉輪的切割，氣蝕曲線超過臨界點并不會發生揚程陡降的現象，即隨著進口壓力的進一步降低，揚程呈現緩慢下降的趨勢；

(3)相同進口壓力下，葉輪的切割并不會導致進口流態惡化，也不會導致氣蝕現象加劇。