离心泵的叶片进口几何形状对泵汽蚀性能的影响newdoc

　　离心泵的叶片进口几何形状对泵汽蚀性能的影响张建华（1.西北工业大学陕西西安710072,2.西安航天泵业有限公司陕西西安710100）摘要：为了改善离心泵内的汽蚀性能，以ZA150-315石油化工离心泵为研究对象，在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下，以三种不同厚度变化规律构造三种离心泵叶轮,运用FLUENT软件进行数值模拟计算，得到汽蚀发生时泵内部气-液两相分布规律和压力分布规律。分析表明：叶片进口段的形状影响泵的汽蚀性能。叶片进口段形状越接近流线型泵的抗汽蚀性能越好，加大叶片进口段曲率半径可以降低泵的汽蚀余量，改善泵的汽蚀性能。关键词:离心泵；汽蚀性能；数值模拟；进口边形状中图分类号:TH311文献标识码:AEffectcentrifugalpumpbladeinletgeometrypumpcavitationperformanceZHANGJianhuaCHUWuliMAWenying(1.NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi710072,ChinaSpacePumpIndustrialCo.,LTDXiimprovecentrifugalpumpcavitationperformance,ZA150-315petrochemicalcentrifugalpumpwerestudied.basicexteriorparametersrotationalspeedcentrifugalimpellerwerefixed,centrifugalimpellersweregeneratedthreedifferentchangesvapor-liquidtwo-phasedistributionpressuredistributioncentrifugalimpellerinnerflowwereobtainedusingcomputerfluiddynamicmethod.Analysissimulatedresultsdemonstratebladeinletgeometryhaveeffectpumpcavitationperformance.bladeinletcloserpumpanti-cavitationperformance,increasingbladeinletsectioncanreducepumpcavitationallowance,improvingpumpcavitationperformance.Keywords:centrifugalpump;cavitationperformance;numericalsimulation;bladeinletgeometry离心泵在运行过程中，汽蚀会使其过流部件产生磨蚀破坏，产生噪声和振动，汽蚀化严重时泵的效率显著降低甚至不能正常运行。因此，如何提高离心泵汽蚀性能是流体机械研究领域的一个重要研究方向[1-2]目前针对改善离心泵汽蚀的研究较少[3-6]因为泵内汽蚀涉及的因素较多，现有研究资料中数据比较分散，对离心泵设计还没有形成比较统一的方法，如何提高离心泵汽蚀性能，在这个问题上一直很难取得突破性进展，还需要继续开展相关的研究工作。本文以ZA150-315（n=97.8）中比转速泵三种叶片厚度变化规律为例，在保证叶轮的基本外尺寸相同的情况下,采用从叶片工作面向叶片背面的加厚方式，基于同样的双蜗壳结构的压出室,以三种不同的厚度变化规律对离心泵叶轮叶片进行造型，设计了三种离心泵方案，分析叶片厚度变化规律对离心泵汽蚀性能的影响。方案一、二比方案三在叶片进口段有较大的曲率。方案三采用从叶片进口到最大厚度处的直线过渡设计，方案一、二采用有一定弧度的曲线设计。三种离心泵方案叶片进口形状如图所示(以叶片吸力面截面为基准面将叶片拉直后的垂直投影图)。计算模型本文以国内常用的ZA150-315型石油化工泵为研究对象。该泵的扬程H=32.5m，设计流量/h，转速n=1475r/min，汽蚀余量NPSHR=1.7m。根据上述性能参数及要求确定其基本参数(见表1)。叶轮的基本几何参数Tab.1Basicgeometricparameters控制方程和计算方法2.1控制方程基于流体分析软件FLUENT本文在计算中选择混合物模型；空化模型选用Singhal等人提出的一种完整空化模型。其连续方程和动量方程为:连续性方程:混合流体相:为空泡相和水流相形成的混合流体质量度;v为混合流体的速度矢量.空泡相：为静压力；为分子黏性系数；为湍流性系数.式(2)中混合密度和空泡相质量组分水流相流体的质量密度.2.2计算方法本文采用UG软件对叶轮和蜗壳进行三维造型，模型如图所示。用前处理软GAMBIT对其进行非结构化混合四面体网格划分，划分的网格单元数叶轮为326003个，蜗壳为322617个，节点数为141701个。为了准确预测旋转和曲率对流动的影响，本文采用了水力机械广泛使用的RNG；采用隐式分离算法求解控制方程，采用SIMPLEC算法进行压力修正。给定速度进口(velocity-inlet)和压力出口(pressure-outlet)边界条件，采用无滑移壁面边界条件。以单相定常流动的计算结果作为汽蚀流动的初始流场参数，以提高汽蚀计算的收敛速度和计算的稳定性，汽蚀计算初场的空泡体积组份赋为0。本文以进口压力稳定性来判断计算是否达到收敛。根据计算结果，残差值设为1e-4满足基本收敛要求。本文在计算过程中，采用较小的欠松弛因子，以避免残差值的波动和发散。计算结果与分析3.1叶片表面气泡体积分数运用数值模拟的方法模拟实际的实验过程，在一定流量下调节装置的汽蚀余量（即在离心泵的出口断面调节静压值）对其内部流动进行数值计算。在0.6q进口流量下，分别对离心泵（采用三种不同厚度变化规律方案的离心泵）进行数值模拟计算，并对数值计算结果进行分析。为了定性的了解泵内汽蚀状态，图3=0.045时，各离心泵方案叶片吸力面空泡相体积分布，图中所标的数字为空泡体积率表示完全液相），其中L.E为叶轮进口，T.E为叶轮出口，SHROUD表示叶轮前盖板，HUB示叶轮后盖板。从图中可以看出，泵内部发生汽蚀时，气泡相主要分布在叶轮叶片进口前缘附近，从叶轮后盖板到前盖板气泡相体积分数依次增大，在叶片进口吸力面靠近前盖板处气泡体积分数达到最大，在此区域几乎为完全气相，这也是叶片最容易发生汽蚀的地方，图6的静压分布曲线清晰的反映了这一低压区域。这与泵发生汽蚀时，叶片破损部位相吻合。从图中可以明显的观察到三种方案（从方案一到方案三）气泡体积分数依次增大，静压值依次降低。以上分析表明：方案三空化情况最为严重，方案二次之，方 案一最轻。 方案三叶片背面空泡体积分数等值图40 60 80 100 120 140 160 180 -50 50100 150 200 250 方案一 方案二 方案三 液流沿叶片半径方向/mm 三种离心泵方案吸力面静压分布曲线 汽蚀流动性能预测 以扬程下降 3% 的装置汽蚀余量 NPSHA 作为当前流量点的泵汽蚀余量 NPSHR。通常在试验中以装置汽蚀余量与扬 程的关系曲线(NPSH-H)来测试描述一定流 量下离心泵的汽蚀性能，由此确定水泵不发 生汽蚀所需的必需汽蚀余量。泵的空化余量 NPSH 的计算公式为： 式中，是泵进口压力，Vin泵进口处的平均速 度，PV 是汽化压力，在此处水在25时的蒸 汽饱和压力为3540Pa。 100.88 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 NPSHR/m方案一 方案二 方案三 1011 12 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 方案一 方案二 方案三 NPSHR/m 1011 0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 NPSHR/m 方案一方案二 方案三 三种离心泵方案设计流量下性能对比设计方案 流量 汽蚀余量NPSHR/m 汽蚀比转速 方案一220 31.846 86.36 1.45 1550.8 方案二 220 32.871 87.58 1.64 1414.0 方案三 220 33.037 86.18 1.76 1341.1 为三种离心泵方案在不同流量工况下汽蚀性能曲线，横坐标表示泵 汽蚀余量，纵坐标表示相对扬程。由图中 可以看出，泵的汽蚀余量随着流量的增大 而增大。在设计流量下分析泵汽蚀的初生 和发展，由图9 可以看出，当NPSHR