切割葉輪對(duì)離心泵氣蝕性能影響的數(shù)值分析*

畢智高，林祿彬，李史珍

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中油國(guó)際管道公司中哈天然氣管道項(xiàng)目，北京 100007)

當(dāng)離心泵所輸液體的絕對(duì)壓力降至其所處溫度下的飽和壓力時(shí)，液體開始汽化而產(chǎn)生汽泡，氣泡隨液體流動(dòng)至高壓處發(fā)生潰滅，該現(xiàn)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(duì)于離心泵的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和使用都是十分重要的氣蝕基本參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)對(duì)氣蝕性能的要求進(jìn)行，若用戶給定了具體使用條件，則泵設(shè)計(jì)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(fā)生氣蝕時(shí)的揚(yáng)程相比下降3%的點(diǎn)為泵氣蝕的臨界點(diǎn)[2-3]。關(guān)于泵氣蝕[4-7]國(guó)內(nèi)學(xué)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(yè)界的共識(shí)，然而對(duì)于氣蝕性能變差的原因相關(guān)的研究則相對(duì)少見。對(duì)于大多數(shù)泵企，在新產(chǎn)品出廠前進(jìn)行全直徑葉輪和最小直徑葉輪的氣蝕測(cè)試，并利用線性插值法得出中間各個(gè)直徑下的氣蝕數(shù)據(jù)；有時(shí)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(dǎo)致泵氣蝕性能變差的原因，通過CFX商業(yè)軟件，利用CFD數(shù)值模擬的方法在額定轉(zhuǎn)速下對(duì)某雙吸離心泵不同葉輪切割直徑下的氣蝕性能進(jìn)行分析。

1 模型參數(shù)與數(shù)值模擬

采用的泵模型見圖1。設(shè)計(jì)工況為流量1 580 m3/h，揚(yáng)程75 m，轉(zhuǎn)速1 780 r/min，比轉(zhuǎn)速為117，最大葉輪直徑430 mm。對(duì)該葉輪進(jìn)行3次切割，分別為390、370和350 mm。

由于雙吸泵結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取進(jìn)口吸入管段、葉輪旋轉(zhuǎn)域、蝸殼流道和出口直管段的一半流場(chǎng)為4個(gè)計(jì)算域。采用ICEM軟件，利用自適應(yīng)較好且工程中應(yīng)用廣泛的四面體網(wǎng)格劃分計(jì)算域，網(wǎng)格數(shù)量依次為100萬(wàn)、200萬(wàn)、200萬(wàn)和50萬(wàn)，見圖2。

b 蝸殼、吸入室水體網(wǎng)格圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，進(jìn)口設(shè)為總壓邊界條件，出口為流量出口邊界條件，通過改變進(jìn)口的靜壓調(diào)節(jié)裝置氣蝕余量。周期面為鏡像對(duì)稱邊界，其他均為光滑壁面。動(dòng)靜交接面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模式。空化模型選為Zwart，所輸介質(zhì)為常溫25 ℃的液態(tài)純水和氣態(tài)水蒸氣，水的飽和壓力設(shè)為3 169.6 Pa[8]。

2 結(jié)果與分析

以未發(fā)生氣蝕條件下的揚(yáng)程下降3%作為臨界氣蝕點(diǎn)，即該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣蝕余量為必需氣蝕余量NPSHr。調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力值[9]，依次計(jì)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(yáng)程逐漸降低，因此用以判別NPSHr的揚(yáng)程下降量較全直徑葉輪也逐漸減少，進(jìn)而可得出NPSHr呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在葉輪全直徑時(shí)，揚(yáng)程曲線超過臨界氣蝕點(diǎn)則顯著下降，而對(duì)于切割直徑的葉輪超過氣蝕點(diǎn)后，揚(yáng)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(shì)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(rèn)為NPSHr與全直徑的值十分接近。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，NPSHr曲線從全直徑到最小直徑線性差值并不合理，會(huì)導(dǎo)致切割量較小時(shí)的葉輪NPSHr估值過高，而切割量較大時(shí)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(duì)于相同NPSHa下的不同切割直徑的葉輪，直徑依次減小時(shí)其低壓分布區(qū)域以及氣蝕發(fā)生時(shí)的空泡區(qū)域的分布都非常相似。由此可以判斷，葉輪的切割不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口的流態(tài)變差，進(jìn)而導(dǎo)致氣蝕的惡化。

4組直徑葉輪條件下從泵的進(jìn)口到葉輪的出口靜壓變化情況見圖7。

圖7 泵吸入進(jìn)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(jìn)口法蘭到葉輪吸入口的壓力降變化并不大,因而葉片進(jìn)口處的低壓區(qū)并無顯著區(qū)別。葉輪的切割并不會(huì)使葉輪內(nèi)部的氣蝕程度增加。

綜上可知，葉輪的切割并不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口流態(tài)和氣蝕情況的惡化，在進(jìn)口壓力條件沒發(fā)生變化的情況下，氣蝕發(fā)生的程度保持一致。但是葉輪的切割導(dǎo)致總揚(yáng)程的下降，使得3%的揚(yáng)程下降值對(duì)于小直徑的葉輪偏于嚴(yán)苛，也成為通過氣蝕曲線計(jì)算得出的NPSHr變大的原因。

3 結(jié) 論

(1)隨著葉輪的切割，NPSHr呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，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(diǎn)并不會(huì)發(fā)生揚(yáng)程陡降的現(xiàn)象，即隨著進(jìn)口壓力的進(jìn)一步降低，揚(yáng)程呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)；

(3)相同進(jìn)口壓力下，葉輪的切割并不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口流態(tài)惡化，也不會(huì)導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象加劇。