叶轮进口参数对立式泵汽蚀性能的影响_杨翠.pdf

书书书2023 年第 1 期叶轮进口参数对立式泵汽蚀性能的影响杨翠吕心军（上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海201804）摘要：以立式自吸泵为研究对象，针对自吸泵的高抗汽蚀性能要求，通过数值模拟、样机试验验证的方法，探究叶轮进口参数对叶轮抗汽蚀性能的影响。研究表明：适当增大叶轮进口直径能有效提高立式泵抗汽蚀性能；增大叶轮前盖板半径有利于立式泵抗汽蚀性能；叶片进口宽度直接影响立式泵抗汽蚀性能。试验结果表明，文中所用设计方法可为立式自吸泵的水力设计提供参考。关键词：离心泵汽蚀水力设计进口宽度前盖板曲率半径中图分类号：311文献标识码：立式自吸泵主要应用于吸上安装的工况，配合自动控制真空引水装置使用，主要应用于水利灌溉、市政工程、污水处理、石化、钢铁冶金、水厂取水等。该泵型效率高、高效区宽且故障率极低。目前，我国石油、化工等行业使用的泵，存在耗能高、使用寿命短、安装拆卸维护维修不方便、振动大、噪音高、维修费用高等问题。针对上述问题，笔者公司推出了 高效低汽蚀余量立式泵，此泵与电机组合，配合强自吸装置，变长轴为短轴，轴长可缩短 4 7 米，安装高度视叶轮汽蚀余量和当地海拔高度计算而定。型立式自吸泵适用于提取浊水、清水及含少量悬浮物或固体颗粒状的液体，也可供地下排水。过流部件改用耐腐蚀材质，可用于提取酸碱腐蚀性液体、含少量固体颗粒的场合。为实现高效及高抗汽蚀性能，本文主要从四个方面入手：（1）根据结构需求，借助 6.0 软件进行三维建模；（2）调整叶轮进口参数，通过 模拟，对叶轮进行多目标追踪寻优；（3）基于 对泵的汽蚀性能做进一步的分析计算，得到一个兼顾效率和高抗汽蚀性能的叶轮；（4）通过样机试制，验证本文采用的水力优化方案真实可靠。1计算模型及结构设计1.1主要性能和参数要求 型立式自吸泵为单级单吸立式离心泵，由吸入室、叶轮、压出室组成，相关性能参数如表1 所示。采用 6.0 软件对模型泵吸入端、叶轮、螺旋形压出室进行三维建模，叶片数为 6 片。叶轮水力图如图 1 所示。为了保证泵吸入端进口流动的均匀性，避免边界条件对数值计算结果的影响，将泵的吸入端和排出端分别延长为泵进出口直径的 3 倍，部件水体如图 2 所示。表 1 型立式自吸泵主要性能参数数值流量 （3）720扬程 32汽蚀余量 1 3额定功率 90效率 80图 1叶轮水力图412023 年第 1 期图 2叶轮、压出室水体三维图1.2结构设计及模型铸造该泵在结构设计时，调整径向间隙为 1.2。结构采用精准三维建模，铸件采用 3 砂型打印，以提高精度。叶片进口厚度越薄，越接近流线型，泵的抗汽蚀性能越好，综合考虑加工铸造工艺，最终方案取叶片进口厚度为 3。叶轮及泵体铸件如图 3 所示。2数值计算和网格划分2.1数值模型和边界条件采用连续方程和雷诺时均 方程，为了更好地处理大曲率、强旋转及高应变率流动，选用 湍流模型、空化模型。压力和速度的耦合采用 算法，压力方程的离散采用标准格式，动量方程、湍动能与耗散率输运方程均采用二阶迎风格式，旋转区域与静止区域之间的耦合采用多重参考系模型。在汽蚀数值计算中，对于边界条件，进口采用总压进口条件，出口采用质量流量出口条件，叶片及泵体壁面均采用无滑移壁面边界条件。在汽蚀数值计算中，保持流量不变而逐步降低进口压力使泵内发生汽蚀，进口压力从一个大气压开始逐渐降低。图 3叶轮、泵体铸件2.2网格划分采用 软件对整个计算域进行网格划分，并在边界层及压水室隔舌部位进行局部加密，整个模型的网格数如表 2 所示，约为 650 万。网格无关性分析表明，当网格数继续增加时，扬程与效率的变化在 1 以内，因此本文所用的网格数是可靠的。图 4 为吸入室、叶轮、压出室网格划分示意图。3各方案结果对比3.1叶轮进口直径 保证其他参数不变，选取 04.4、04.6、0 4.8 三个不同的系数进行初步水力及汽蚀计算。如表 3、图 5 所示，方案一流道充满大量气表 2吸入室、叶轮、压出室网格数量结构部件网格数量吸入室713187叶轮3254889压出室2552804图 4吸入室、叶轮、压出室网格表 3叶轮不同进口直径的 计算结果参数方案一方案二方案三叶轮进口系数 04.44.64.8叶轮进口直径 263275286额定点效率值 90.190.389.9额定点扬程 34.834.934.8汽蚀临界点扬程 33.834.033.9临界汽蚀余量 2.01.71.5512023 年第 1 期图 5入口压力取 1.7 时叶轮不同进口直径的含气率云图泡，明显汽蚀；增大进口系数得到方案二，仅叶片进口背面聚集气泡，汽蚀性能大幅提高；继续增大进口系数得到方案三，较方案二叶片背面气泡减少，效率有所下降。由此可见，增大叶轮进口直径系数 0，对泵的抗汽蚀性能有明显的提升效果，0取值越大，泵抗汽蚀性能越好。如图 6 所示，0取值过大液流进口处扩散严图 6不同进口系数 0对应的效率及临界汽蚀余量趋势图重，破坏流动的平滑性和稳定性，水力效率下降。此外，取值大，则口环直径大，口环泄漏量增加，容积效率下降。3.2叶轮前盖板曲率半径 兼顾汽蚀和效率，取 04.6 的方案二为基础方案，延伸两个不同曲率半径方案四和方案五，保持其他参数不变进行 分析。如表 4、图 7 所示，方案四叶片背面存在大量气泡，并向流道内扩散；方案二仅叶片进口背面存在气泡，未向流道内扩散；方案五相对方案四气泡呈减少趋势，效率有表 4叶轮不同前盖板曲率半径的方案计算参数方案一方案二方案三前盖板曲率半径 798999额定点效率值 89.790.389.9额定点扬程 33.834.935.6汽蚀临界点扬程 33.133.934.6临界汽蚀余量 1.91.71.6图 7入口压力取 1.7 时叶轮不同前盖板曲率半径的含气率云图612023 年第 1 期所下降。故此，适当增大曲率半径可提高叶轮抗汽蚀性能。由图 8 趋势表明，叶轮进口部分液流受流道转弯离心力的影响，靠近前盖板的液体压力小、速度大，造成叶轮进口的速度分布不均匀。适当增大盖板曲率半径，有利于减小前盖板处的圆周速度和提高速度分布的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而使 减小，提高泵的抗汽蚀性能。3.3叶片进口宽度 1将五个方案按照 1取值由小到大排列，如表5、图 9 所示。方案一叶片背面气体体积分数明显较大，且分布在整个叶片背面。随着叶轮进口 1增大，叶片背面气体体积分数逐渐减小，分布范围缩小。方案三的 1取值最大，气体体积分数最小，范围最小。故此，1的取值直接影响泵的抗汽蚀性能，且取值越大，泵的抗汽蚀性能越好。由图 10 趋势表明，增大叶轮叶片进口宽度能增加进口过流面积，减小圆周速度和相对速度，从而减小，但 1增至很大时会增加轴向尺寸、图 8不同前盖板曲率半径 对应的效率及汽蚀余量趋势图表 5叶轮不同进口 1的方案计算参数方案一 方案四 方案二 方案五 方案三叶轮进口 1 112.2118.8121.7124.6130.5额定点效率值 90.189.790.389.989.9额定点扬程 34.833.834.935.634.8汽蚀临界点扬程 33.833.133.934.633.9临界汽蚀余量 2.01.91.71.61.5图 9入口压力取 1.7 时不同进口 1值对应的叶片含气压力云图712023 年第 1 期图 10不同进口 1值对应的效率及汽蚀余量趋势图降低效率。本文经过多种形式筛选，推荐下面的参考关系式：1.1 12042.54试验结果测试结果（见图11）：额定点效率 82，汽蚀余量 2.57，均达到设计要求。该泵已在现场实际运行，满足现场实际运行工况，且达到节能降噪的效果。5结论研究了叶轮三个进口参数对立式泵抗汽蚀性能的影响，通过模拟计算得到最优水力方案，试验验证合格并投入生产使用，得出以下结论：（1）叶轮进口参数对抗汽蚀性能影响较大，适当增大进口直径，有利于泵的抗汽蚀性能。增大前盖板曲率半径 对泵抗汽蚀性能有益。叶片进口宽度 1与泵的抗汽蚀性能呈正分布关系，随着 1增大，泵抗汽蚀性能提高。（2）提高泵抗汽蚀性能的同时应考虑泵的效率，本文所选方案二虽不是抗汽蚀性能最好的方案，但同时兼备高效和良好的抗汽蚀性能。图 11试验报告参考文献 1 关醒凡现代泵理论与设计 北京：中国宇航出版社，2011 2 王福军水泵与泵站流动分析方法 北京：中国水利水电出版社，2020 3 司乔瑞，袁建平，裴吉，等离心泵数值模拟实用技术 镇江：江苏大学出版社，2018 4 刘航泊，王辉，程蕾，等高抗汽蚀离心泵的仿真优化设计 流程工业，2020（7）：47 49（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2022 06 29）81