（流体机械及工程专业论文）低汽蚀余量泵诱导轮的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 与普通离心泵相比，低汽蚀余量泵具有汽蚀余量小，抗汽蚀性能好的特性， 通常用于输送易汽化介质，装置汽蚀余量小的情形，因此广泛应用于航天、石油 化工、热电厂、消防等部门。 在泵进口加置诱导轮是低汽蚀余量泵提高汽蚀性能的主要方法之一。与其它 改善泵汽蚀性能诸多措施相比，加置诱导轮的优势在于结构简单、易于制造安装， 造价较低、通用性强、维修更换方便，更适用于整个泵机组的改造。 目前低汽蚀余量泵许多技术尚在探讨研究之中。尽管就增大叶轮进口直径、 加大叶片进口边宽度等方面已经达成一致共识，但具体参数的选取量尚待研究确 定。就诱导轮而言，其理论研究和设计方法目前仍在摸索阶段，还没有专门的著 作系统地介绍，而相关厂家几却乎没有自行设计的能力，更没有一套诱导轮优化 系列可以用来借鉴参考。 本文基于对诱导轮设计理论基础的探讨，建立了相对完善的变螺距诱导轮设 计计算方法，并以实例的形式阐述了其设计流程及设计过程中值得注意的事项， 且通过试验证明该设计方案达到了预定的要求，取得了良好的汽蚀性能：另外， 本文还对诱导轮内部流场进行了数值模拟与计算分析，以了解其内部流动信息， 为诱导轮的设计及诱导轮与离心轮结构和能量匹配关系的安排提供理论依据；最 后，基于本文所介绍的设计方法，考虑一定的尺寸、结构等因素，初步推荐出变 螺距诱导轮的系列，以便对变螺距诱导轮的生产和进一步的研究提供参考。 关键词：低汽蚀余量泵，诱导轮，设计，数值模拟，推荐系列 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p 砌w i t hc o m l t l o nc e n t r i f u g a lp u m p s ，l o w n p s h rp u m p sh a v es m a l l e r n p s h ra n db e t t e ra n t i c a v i t a t i o nc a p a b i l i t y u s u a l l y , t h e ya r eu s e di nl o w e rn p s h a c o n d i t i o n ss u c ha st r a n s p o r t i n gf l u i d sw h i c ha r ep r o n et ob o i la w a ya n dt h el i k e t h u s ， t h e ya r cw i d e l yu s e di nm a n yd e p a r t m e u t ss u c ha ss p a c e f l i g h t ，p e t r o c h e m i c a lp l a n t s ， t h e r m o e l e c t r i c i t y , f i r ep r o t e c t i o na n dt h el i k e o n eo ft h ep r i m a r ym e t h o d st oi m p r o v ec a v i t a t i o np e r f o r m a n c e so fl o w - n p s h r p u m p si st of i xi n d u c e r sa tt h e i ri n l e t c o m p a r e d 、i mo t h e rm e t h o d s i n d u c e r sh a v e t h e s ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，o r d i n a r ym a n u f a c t u r ea n di n s t a l l a t i o n ， l o wc o s t ，a l l - p u r p o s ec h a r a c t e r , c o n v e n i e n t s e r v i c i n ga n dr e p l a c i n g ，s oa r em o r e a p p l i c a b l et oa l t e r a t i o no f aw h o l es u i to f p u m p s b u tm o s tt e c h n o l o g yo fl o w - n p s h rp u m p si ss t i l li nt h es t e po fg r o p i n g a l t h o u g hp e o p l eh a da g r e e do ni n c r e a s i n gt h ei n l e td i a m e t e ro fi m p e l l e ra n dt h ew i d t h o fl e a d i n gb l a d e ，t h ed e t a i l e ds e l e c t i o no ft h e s ep a r a m e t e r sa r es t i l lu n d e ri n v e s t i g a t i o n a sf o ri n d u c e r , i t sd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o da r es t i l li ns e e k i n ga sy e ta n dt h e r eh a s b e e nn oe v e no n em o n o g r a p h r e l a t i v ep l a n t sh a v es c a r c e l yd e s i g nc a p a b i l i t yo f t h e m s e l v e s ，s a y i n gn o t h i n go fas e r i e so fo p t i m i z a t i o no fi n d u c e rf o rr e f e r e n c e b a s e do ns t u d yo fd e s i g nt h e o r i e so fi n d u c e r , t h i sp a p e rf o u n d e dar e l a t i v e l y c o n s u m m a t ed e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o do fv a r i a b l e - p i t c hi n d u c e r i t sd e s i g nf l o wa n d a f f a i r st h a ts h o u l db en o t i c e di nt h ec o u r s eo fd e s i g nw e r ee x p a t i a t e db ya ne x a m p l e a n de x p e r i m e n t a t i o n si n d i c a t e dt h a tt h i sd e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o dh a da c h i e v e d d e s t i n e dr e q u e s ta n dg o te x c e l l e n tc a v i t a t i o np e r f o r m a n c e s f u r t h e r m o r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o na n a l y s i so ft h ei n n e rf l o wo fi n d u c e rw e r ed o n ei nt h i s p a p e rt of i n do u ti t sf l o wi n f o r m a t i o n ，w h i c hc a no b t a i nt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o r i n d u c e rd e s i g na n dm a t c h i n gr e l a t i o n s h i po fs t r u c t u r ea n de n e r g yb e t w e e ni n d u c e ra n d i m p e l l e r a tl a s t , c o n s i d e r i n gp a r a m e t e r ss u c ha ss i z e ，s t r u c t u r ee t c ，ap r i m a r y r e c o m m e n d e ds e r i e so fv a r i a b l e - p i t c hi n d u c e r sa c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dm e t h o d w a s g i v e nf o rm a n u f a c t u r ea n df a r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：l o w - n p s h rp u m p s ，i n d u c e r , d e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， c o m m e n d a t o r ys e r i e s i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密皿 指导教师签名：卜a # 葺_ 己卯莎年莎月多日b 帅6 年6 月6 日 独创性声明 y1 0 1 3 9 0 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：砌年莎月5 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 离心泵内的汽蚀现象是其运行过程中的一个重要特征，也是离心泵设计、制 造、使用和管理等环节中众所关注的问题之一。 在泵运转过程中，其过流部分的局部区域，由于某种原因，所输送液体介质 的绝对压力下降到当时温度下的汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生蒸汽、 形成气泡。这些气泡随着液体向前流动，至某高压处时，气泡周围的高压液体， 致使气泡急骤缩小以致破裂，同时液体质点以高速填充空穴，发生互相撞击并形 成水击。这种现象发生在固体壁面上将使得过流部件受到腐蚀破坏。这一气泡产 生和破裂并造成过流部件遭受破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。 对离心泵而言，汽蚀可以分为空腔汽蚀、翼型汽蚀和间隙汽蚀三类。空腔汽 蚀通常产生于离心泵叶轮的进口处，进而能延伸到叶轮的出口处，甚至叶片式导 流机构的进口处；翼型汽蚀发生在叶轮叶片的背面，可能由于泵流量过大、叶片 数选择不当或叶片形状设计不妥等原因造成；间隙汽蚀发生于泵内相对运动间隙 处，过大的泄流、过小的间隙、局部较高的液体温度和高频的机械振动都会引发 这种汽蚀。而最常产生且对离心泵的外特性影响最为明显的为空腔汽蚀，它可能 是由于泵安装高度过高、叶轮叶片入口处液流速度过大、流道中液流损失过大等 引起的。 离心泵的汽蚀不仅直接影响到泵本身的工作特性、运行可靠性和使用寿命， 而且还影响到整个工作系统的可行性和先进性以及运行的可靠性和经济性。因 而，在当今设计离心泵产品的过程中，汽蚀性能就必然会成为其中一个重要特性 指标而被人们所重视和探究。 通常，我们以提高叶轮叶片进口处的液体压力为着眼点来提高离心泵的汽蚀 性能。这可以采用不同的方法，但其中最简捷的首先是降低泵的安装高度，或是 提高输入液体的液面高度；其次是减小泵吸入管路的液流阻力损失。但在泵装置 使用条件受限制而无法从泵的外部来提高被输送液体压力的条件时，就需要从泵 的本身结构上设法改善被输送液体的入流条件，减小入流液体的各种阻力损失， 江苏大学硕士学位论文 提高叶轮入口处的液体压力。一般来说，在离心泵设计时，可以在结构与工艺上 采取以下些措施来提高离心泵的汽蚀性能： 在离心泵进水管内装置射流泵或组成射流离心泵机组以提高吸入性能； 在主泵前加置低转速的前置增压泵，以便为主泵提供所需要的吸入压力； 消除或减轻离心泵机组运行时的振动，以降低吸入液流的脉动； 采用良好的抗腐蚀和抗冲蚀性能材料，以增加过流零件的抗汽蚀性能； 提高叶轮入口前过流表面的精度和光洁度，以降低进口液流的能量损失： 采用电极保护法，以预防在容易产生汽蚀部位的零件材料的破坏； 正确设计吸入管路和泵的吸入接管，以减少进口液流的阻力损失； 采用合理的叶轮结构设计，以提高离心叶轮的汽蚀性能； 在离心叶轮前加置螺旋型诱导轮，以提高离心叶轮入口处的液体压力。 当然，根据具体的使用条件，还可以采用其它一些方法来提高离心泵的汽蚀 性能。 实践经验表明，上述诸多方法中，在离心叶轮前加置诱导轮的方法是最有效、 最可靠。采用这种方法可以大大地增加离心泵的汽蚀比转速c 值，尤其对高速离 心泵而言，汽蚀比转速可达到3 0 0 0 5 0 0 0 。 性能优良的诱导轮本身能够避免汽蚀的产生，从而避免汽蚀所造成的破坏。 同时，通过提供能量给水泵主叶轮，可以使得泵机组无汽蚀运行，这样，就大大 提高了泵叶轮、涡室和盖板的使用寿命。其实质是大幅度地降低了泵机组的必需 汽蚀余量，从而提高了泵的抗汽蚀性能。随着低汽蚀余量泵在工农业各个领域的 用量越来越大，诱导轮的研制与应用的重要性以及迫切程度与其设计理论的不完 善、不成熟之间的矛盾将日益激化，所以本文对低汽蚀余量泵诱导轮的研究工作， 具有明显的理论意义和工程实用价值。 本文首先将在第1 章和第2 章中分别简单地介绍诱导轮以及低汽蚀余量泵的 研究现状和发展趋势；然后在第3 章中，主要针对诱导轮，特别是变螺距诱导轮， 在总结现有研究成果的基础上，建立起相对完善的的变螺距诱导轮的设计计算方 法，并以实例的形式对其设计流程安排以及设计过程中值得注意的问题加以详细 的阐述，且通过试验证明该设计方案的可行性和可靠性，此外，基于文中所述设 计方法，第3 章中还将初步给出变螺距诱导轮的个系列，以为变螺距诱导轮的 2 江苏大学硕士学位论文 生产和进一步研究提供参考；为了解诱导轮内部流动信息，进而为后续研究起指 导作用，文中第4 章将利用商用c f d 软件f l u e n t 对诱导轮内部流场分布进行数 值模拟和计算分析；最后，在第5 章中，本文对所做研究工作作了概要性的总结 和展望。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究情况 国外诱导轮最早应用于火箭泵进给系统中，用以改善压送火箭燃料泵的吸入 性能，二十世纪4 0 年代德国在火箭发动机上采用了诱导轮，使得泵在极高转速 下( n = 1 7 0 0 0 2 0 0 0 0 f f m i n ) 供料正常。由于诱导轮的开发研制最早来源于火箭泵 进给系统，因此航天工业为诱导轮早期研究工作做出了巨大的贡献。此后随着研 究与开发的进程，又逐渐应用于射流推进器、离心泵以及其它场合中。 最早为诱导轮的设计提供分析基础的是r o s s 和b a n e r i a n “，随后l e w i s 研究 中心以此为基础对冷凝泵和液氢泵内的诱导轮作了理论分析和实验研究 2 】【3 】。6 0 年代前苏联b m _ y mob 提出了利用诺模图设计平板翼型圆柱形诱导轮的 方法。7 0 年代初期，n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i t s s p a c ea d m i n i s t r a t i o n 即 美国国家宇航局) 和前苏联分别根据他们在航天领域对诱导轮的研究工作总结了 一系列的诱导轮设计理论【4 【5 1 ，其中，j a k o b s e n 对火箭泵诱导轮的设计提供了非 常全面的概括，包括对叶片和流道设计、轮毂形状与尺寸、进口直径和轮廓、叶 片形状、前缘、后掠角、倾斜度、导程、叶片厚度、稠密度以及其它要点等各方 面做了详细论述。但在8 0 年代以前，由于计算条件和实验条件的限制，诱导轮 的研究主要局限于经验性的设计和实验阶段，而一直没能涉及到诱导轮内部流动 机理和汽蚀发展情况的深入研究。随着研究的深入和科研条件的提高，这种情形 有所改善，有关学者开始致力于诱导轮汽蚀性能的研究和c f d 分析阎阴【8 9 】 1 0 1 。 特别地，随着计算机性能和计算技术的飞速提高，同其它流体机械的过流部件一 样，c f d 分析在诱导轮的研究中开始发挥积极重要的作用，尽管c f d 分析不能 完全替代实验，但它定性的分析作用及近似的模拟能力对降低实验次数，减少实 验费用，缩短研发周期具有巨大的意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究情况 相对而言，国内对诱导轮的研究起步较晚且进展缓慢。和其它水力部件一样， 我国早期的诱导轮的水力设计也是沿袭前苏联的设计思想，其间也接纳了一些欧 美的设计经验，7 0 年代我国科研人员对上述美国和前苏联的两部著作进行了翻 译，并以此推动了国内相关技术的发展。在8 0 年代早期七机部一院十一所( 现 航天工业总公司十一所) 对此理论作了进一步的探讨 1 l 】，此后该所为了解决平板 诱导轮不能同时做到高压头和高的汽蚀特性的矛盾，对一双级整体诱导轮进行了 研究【1 2 】【1 3 。 此后较长一段时间，对诱导轮的研究变得很少，仅有的少量研究也只是将已 有的研究成果应用于实际场合之中 1 5 【1 6 】，当然，在验证既得成果的同时也发 现了许多不足和欠缺之处，为进一步研究拓宽了思路。 9 0 年代后期，随着工农业的发展，石油、化工、电站、消防等装置用泵对 汽蚀性能要求的提高，诱导轮的需求也日益增加，相关的研究又步入新的阶段。 具体而言，涉及到了以下几个方面：诱导轮汽蚀性能，诱导轮的扬程，诱导轮与 泵主叶轮在结构和能量方面匹配【1 w 2 1 ，诱导轮的c f d 分析【2 9 1 1 4 5 】【4 8 等。但总的说 来，比较零散，还没能形成体系，更没能形成优化系列。 1 3 本文研究内容 基于现有有关低汽蚀余量泵及诱导轮的研究成果，本文阐述了低汽蚀余量泵 设计特点以及配置诱导轮在改善泵汽蚀性能方面的优越性，进而分析了诱导轮设 计的理论基础，总结出较为完整的变螺距诱导轮的设计方法，提出了一条简易实 用，面向生产的变螺距诱导轮设计流程。为了进一步了解诱导轮内部流动情况， 以便对其结构设计和参数选择起指导作用，本文还对诱导轮内部流场进行了数值 模拟与计算分析。最后，为了进一步研究工作的开展，本文初步给出了一套诱导 轮推荐系列。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析、总结低汽蚀余量泵为了提高抗汽蚀性能在结构设计、材料选择 等方面所采取的措施； ( 2 ) 基于诱导轮设计的理论基础，建立起相对完善的变螺距诱导轮的设计 方法，并以实例的形式详细地阐述其设计流程，以及设计、操作过程中应注意的 4 江苏大学硕士学位论文 事项，然后通过试验验证设计诱导轮的性能是否满足设计的要求； ( 3 ) 采用计算机对诱导轮内部流场进行数值模拟与分析，了解其内部流动 情况及速度、压力分布情况，为诱导轮的结构设计及参数选择提供依据与指导， 以期得到优化设计。 ( 4 ) 基于本文所提供的设计方法，考虑到一定的尺寸效应和可操作性，初 步推荐一套变螺距诱导轮系列，以期引导进一步的研究、验证工作，也为相关厂 家在低汽蚀余量泵的设计开发、选型以及对低汽蚀余量泵进行进一步研究等方面 提供参考。 江苏大学硕士学位论文 第2 章低汽蚀余量泵概述 2 1 引言 水泵广泛应用于国计民生的各个领域，由于要适应各种不同工况条件的要 求，因而它的品种繁多数量巨大。我国水泵制造业十分庞大，水泵厂家遍布全国， 其水泵产量和市场需求都名列世界前茅。但是与国外同行业相比，在现有装各和 技术水平上还存在一定的差距，尤其对高端产品的研究与开发能力不强，许多特 种泵( 如核电用泵、低汽蚀余量泵等) 目前仍然依靠进口。为了摆脱这种现象， 填补国内特种泵的空白，进而寻求进一步的发展，就必须从更深的层次上对水泵 技术发展的趋势和产品开发的未来走向进行综合的分析和思考，努力开发具有自 主知识产权的新产品。 随着宇航技术的进步和石化、化工、电站工业的飞速发展，加上“以人为本” 设计理念的日益深入人心，其装置用离心泵的设计越来越向着高速化，高效化， 小型化，特殊化以及人性化的方向发展，并且在一些工业流程中，由于工作环境 的限制( 如高温、高速、低压等) 或工作对象的要求( 如易挥发介质、高温液体、 汽液混合物等) ，对离心泵的抗汽蚀性能提出了较高的要求。 相对一般离心泵而言，低汽蚀余量泵( 或泵机组) 的必需汽蚀余量值较低， 也就是说，低汽蚀余量泵( 或泵机组) 具有良好的抗汽蚀性能，能适用于较低装 置汽蚀余量的情形，因此广泛应用于工业领域的各个部门，简化了许多工艺流程 的安排，实现了许多特殊介质的输送，很好地适应了科技技术发展的需求。 和其它特种泵一样，低汽蚀余量泵的研制与推广还处于不断发展过程中的一 个阶段，国内外很多相关学者就离心叶轮抗汽蚀性能的改进等方面也已有了较为 深入的研究，并对增大叶轮进口直径、加大叶片进口边宽度、前置诱导轮增加离 心轮进口压力、选用高抗汽蚀性能材料等方面有了一致的认识，但一些具体参数 选取值的确定、诱导轮设计方法的建立、高抗汽蚀性能材料的研制仍在进一步探 讨之中。 本章将对“低汽蚀余量泵是如何改善其抗汽蚀性能的”这一问题作一概括，从 而对低汽蚀余量泵现有研究水平以及未来发展趋势作一简单分析。 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 低汽蚀余量泵设计方法综述 改善和提高离心泵汽蚀性能可以从提高装置有效汽蚀余量n p s h a 和减小泵 必需汽蚀余量n p s h r 这两方面入手 3 3 q o 】。 2 2 1提高装置有效汽蚀余量 装置汽蚀余量用下式表示 n p s h a ：且+ 旦一旦：旦士 。一九一旦 p g2 9p gp g 6 。p g 式中p 。泵进口处的压力 ( p a ) v s _ 一泵进口处液流的速度( m s ) p ，输送流体温度下的汽化压力( p a ) p c _ 一吸入液面的绝对压力 ( p a ) h r 一泵安装高度，吸上取“一”，倒灌取“+ ”( m ) h 。吸液管道水力损失( m ) ( 1 ) 减小几何吸上高度h 。( 或增加几何倒灌高度) 从装置汽蚀余量表达式可知，减小几何吸上高度( 或增加几何倒灌高度) 可 以增大n p s h a 值，防止汽蚀的产生。 ( 2 ) 减小吸入损失l l c 吸入损失是由于沿程损失和局部损失产生的，可以通过适当增加吸入管道的 直径，尽量减小管路长度，减少弯头和阀门等附件，增大弯头曲率半径等方法来 尽可能地减小h c 值。 调整安装高度和合理设计吸入管路这两种方法虽然能从根本上消除汽蚀问 题，但在生产现场却很少采用。这是由于调整泵的吸入管路及安装高度，工程量 大、费用高，而且受到施工环境的制约， 随时，由于工艺条件的限制，还可能 会影响后续工艺，具有连锁反应。 ( 3 ) 采用引射装置( 图2 5 ) f 4 1 1 采用引射装置从泵的出口引回一 韶分高能液流回到泵的入口，将这部 只有在装置停车或大检修时才能进行 图2 5 水泵进口加置引射装置 江苏大学硕士学位论文 分高能液流的能量转化为入口液流的压能，以满足泵入口压力的要求，相当于增 大了p 。，提高了泵的装置汽蚀余量，对消除泵机组的汽蚀振动具有显著效果。 2 2 2 降低泵机组必需汽蚀余量 低汽蚀余量泵的研究，其目的就在于研究如何获得泵组的小汽蚀余量值。 由汽蚀基本方程式 n p s h r ：五一v 0 z + a _ w o 2 9 2 9 式中v 0 一进入叶片前液流的平均绝对速度 、v o _ 一进入叶片前液流的平均相对速度 九l 平均绝对速度的增大系数 卜一叶片进口压降系数 上式右边表示泵进口部分的压力降，除了一些可以忽略的因素外，此压力降 可以认为基本上由三部分组成：( 1 ) 由于叶片是有厚度的，它使叶片间流道的过 流面积变小，造成从叶轮进口到进入叶片时液流的平均流速增大引起压力降低。 ( 2 ) 液流在转弯时及在叶片进口处造成速度不均匀而引起压力降低。( 3 ) 液流 绕流叶片进口边以及由于叶片负荷造成叶片进口边附近压力降低。前两项以叶轮 进口处绝对速度头表示，后一项以叶轮进口处相对速度头表示。而九l 和九即可 理解为液流进入叶轮时平均绝对速度的增大系数和叶片进1 ：3 压降系数。通常， 兄= 1 0 口1 2 ，五= 0 2 口0 4 。进口部分的压力降低使得靠近进口处产生低压区， 此即汽蚀现象发生的部位。 由此可见，要减小n p s h r ，可通过减小v o ，w o ，九1 和九来实现。 图2 1 泵尺寸示意图 图2 2 叶片进口速度三角形 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 加大叶轮进口直径d 或减小叶轮轮毂直径d h 增大叶轮入口处液流的过流面积，可以减小v 。，从而降低n p s h r 值，提高泵 的抗汽蚀性能。此外，从叶片进口速度三角形可以看出( 图2 2 ) ，当叶片进口轴 面速度降低时，叶片前盖板处相对速度也相应地下降，对提高泵的汽蚀性能也是 有利的。 叶轮进口当量直径按下式计算 d o = k o 孔q n 式中，k o 为系数，根据统计资料选取，一般取3 5 5 5 。要加大d o ，可取大的 值，但硒过大，泵的汽蚀性能不再提高，而且将影响效率。兼顾汽蚀性能和 效率，取k o 一5 。 由于当量直径所对应的过流面积等于叶轮进口减去轮毂的有效面积，即 d 0 2 万( d ，2 一矗2 ) 万 44 因此增加入口过流面积可以通过加大叶轮进口直径d t 和减小叶轮轮毂直径 d h 两种方式实现。在可能的情况下，采用后者效果会更好。 叶轮进口面积的增大会使叶片的相对过流长度缩短，因此泵的扬程值会略有 降低，此时应适当地将叶片的进口边向前延伸，不仅可以避免上述现象，而且还 有利于泵的汽蚀性能。但过分地增大叶轮进口面积，不仅会在该处生成旋涡和回 流而不利于汽蚀性能的改善，而且还会给泵的效率造成不利影响。 ( 2 ) 叶片进口边向吸入方向延伸 适当将叶片进口边向吸入方向延伸，可以使液体提前接受叶片作用，能增加 叶片表面积，减小叶片工作面和背面的压差，叶片前伸也使叶片进口边所在的半 径减小，从而使v o 、w 0 以及n p s h r 减小。为防止排挤，前伸叶片要做得很薄。 为减小冲击损失，叶片进口边应做成空间扭曲状。 ( 3 ) 加大叶轮前盖板的曲率半径r l 由于叶轮进口部分的液流在转弯处受到离心力作用的影响，靠前盖板处压力 低、流速大，造成叶轮进口速度分布不均匀，产生脱流。适当增加盖板的曲率半 径r l 有利于减小盖板处的v o ，改变速度分布的均匀性，减小进口部分的压力降， 从而使n p s h r 减小。 江苏大学硕士学位论文 当然，在改变前盖板的半径和叶片前伸时必须保持前盖板流线与后盖板流线 长度相差无几，同时兼顾检查轴面流道的过水断面面积变化情况，保证有较高的 抗汽蚀性能和较理想的流道断面。 在实际设计中，r ，的取值可按下式选取： h = 0 1 2 5 d 2 ( 4 ) 加大叶片进口边宽度b 1 增大叶片迸口边宽度b 1 可增大叶片进口流道的过流面积，减小v o 和w 0 ，从 而降低n p s h r 值。 ( 5 ) 合理选择叶轮叶片数及长短叶片相间设计 适当减少叶片数，减小叶片进口边厚度， 可增大叶片进口处过流断面面积，提高泵的汽 蚀性能；同时也减小了叶片对液流的阻碍作 用，减小了摩擦损失，有利于效率的提高。 将含有偶数叶片数的离心泵叶轮设计为 长短叶片相间的方式( 图2 3 ) ，同样可以增大 叶片进口处的过流面积，提高其抗汽蚀性能。 图2 3 长短叶片相间的叶轮 ( 6 ) 叶片进口采用正冲角及增大叶片进口角 叶片进口采用正冲角并适当增大冲角大小，以增大叶片进口角，从而减小叶 片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减小叶片的排挤，进而减小v o ，w 0 ，提高 泵的抗汽蚀性能。 同时，采用正冲角可以避免泵在大流量下运转时出现负冲角。 ( 7 ) 采用抗汽蚀材料 采用抗汽蚀材料制造的叶轮，以延长叶轮的使用寿命。零件表面越光，材料 强度和韧性越高，硬度和化学稳定性越高，则材料的抗汽蚀性能也就越好。铝、 铁、青铜、稀土合金铸铁和高镍铬合金等材料，比普通铸铁的抗汽蚀能力大得多。 ( 8 ) 采用诱导轮 诱导轮是一种叶片负荷很小的轴流式叶轮，不仅本身具有良好的抗汽蚀性 能，而且能够产生一定的扬程，所以把它加置在离心叶轮前面用来增压( 图2 4 ) ， 对泵离心叶轮而言，相当于增加了进口处的压力p 。及液流速度v 。，从而提高了 1 0 江苏大学硕士学位论文 装置汽蚀余量，也就提高了整台泵机组 的抗汽蚀性能。对诱导轮，特别是变螺 距诱导轮的设计方法、设计流程以及内 部流场的研究和分析正是本文的中心内 容。 2 3 本章小结 综上所述，每一种方法都会有利于 泵的抗汽蚀性能，但又不可能同时都采 用，因此，我们只能根据具体的参数要 图2 4 离心泵前置诱导轮 求和结构条件，来选取最佳而又最可行的方法，因为这些方法的选取不仅会对离 心泵相关的性能指标带来一定的影响，更重要的是因为它要受到课题经费、制造 周期及试验工作量等客观因素的制约。 。 研究和实践表明，通过合理设计过流部件、改进工艺来提高离心泵的必需汽 蚀余量是有限的。而在叶轮前添置诱导轮却能较大地降低泵机组的必需汽蚀余 量，从而明显地提高其抗汽蚀性能。另外，在诱导轮的设计过程中，除了要求诱 导轮本身具有优良的进口性能以外，还要注意诱导轮和离心泵主叶轮结构和能 量特性的合理配合，只有这样才能获得较高的汽蚀性能和运行效率。因此，对低 汽蚀余量泵而言，诱导轮的研究具有至关重要的意义。不管是从低汽蚀余量泵日 益增大的需求量来看，还是从目前诱导轮的研究现状来看，关于诱导轮的设计理 论的完善、系列优化和产品推广都是亟待解决的问题。 江苏大学硕士学位论文 3 1引言 第3 章变螺距诱导轮 如前所述，在低汽蚀余量泵改善其汽蚀性能的诸多措施中，在泵的吸入口加 装诱导轮是最有效、最可靠的。诱导轮是一种叶片负荷很小的轴流式叶轮，由于 它不仅本身具有很高的抗汽蚀性能，而且还能产生一定的扬程，所以安置在离心 叶轮前面，增加叶轮进口处流体的压力，从而提高整个泵机组的抗汽蚀性能。因 此，稍加分析，不难发现，诱导轮的设计最值得注意的是：( 一) 诱导轮本身不 发生汽蚀；( 二) 产生足够的扬程。这两点正是诱导轮设计过程中的两大依据。 叶片沿轮缘展开图 图3 2 变螺距诱导轮( 增螺距)叶片治轮缘展开幽 诱导轮常用是螺旋型，可分为等螺距和变螺距两种基本形式( 见图3 1 和图 3 2 ) 。目前常用的大多数是等螺距诱导轮。但是，稍加分析，我们不难发现，等 螺距诱导轮在水力性能方面是有缺陷的，由于它的螺距从进口到出口不变，其流 道面积和叶片安放角就只能保持不变，从实际流体的流动情况以及液体能量转换 角度来看，等螺距诱导轮很难取得良好的设计效果。为了满足诱导轮本身的汽蚀 性能要求以及离心叶轮入口压力能要求，诱导轮应设计为变螺距结构，即以较小 塞燃 藏 鼍 江苏大学硕士学位论文 的叶片入口角获得较小的进口流量系数，以较大的叶片出口角产生足够的扬程。 由于其螺距都是渐增的，故又称增螺距诱导轮。 本章将主要介绍变螺距诱导轮的设计计算方法和参数选择依据，并以一个具 体的例子详细地说明变螺距诱导轮的设计流程以及在设计过程中应该注意的一 些问题，最后通过试验来验证设计是否达到了汽蚀性能的要求。 3 2 变螺距诱导轮的设计计算及参数选择 下面将从螺距变化规律入手，逐步展开变螺距诱导轮的设计计算，其设计思 路为由整体到局部，由主要到次要，以便于理解和操作。 3 2 1螺距变化规律的选择 变螺距诱导轮任意直径处的叶片展开图如图3 3 所示，图中1 31 是入口叶片 安装角；b2 是出口处叶片安装角。 图3 3 诱导轮任意直径处叶片展开图 诱导轮叶片安装角由入1 ：3 处最小渐增至出口处最大，体现在螺距上由入1 ：3 到 出口沿轴向也是渐增的，其变化规律有如下几种形式： ( 1 ) 螺距与叶片弧长是线性关系( 见图3 4 中a 线) 这种结构的诱导轮螺距变化比较平缓，但轴向尺寸要求长些。 ( 2 ) 螺距沿叶片弧长是非线性关系 非线性关系变化的规律有两种情况：一种情况下，螺距的增量从入口到出口 逐渐增大，诱导轮在其出口处螺距变化较快( 见图3 4 中b 线) ，但由于这种变 化太快，实际流体因惯性作用不可能完全沿叶片安装方向流动，螺距的急剧增加 不能起到使扬程也随之急剧增加的作用；另一种情况下，螺距在诱导轮出口处的 增加是平缓的( 见图3 4 中c 线) ，相比而言，这种螺距变化较为合理。 ( 3 ) 螺距沿弧长的变化曲线是一条折线( 见图3 4 中d 线) 不难理解，按照这种变化规律设计的诱导轮相当于由几个变化梯度递增的、 江苏大学硕士学位论文 螺距沿叶片弧长线性变化的诱导轮直接串联而成。但是为了防止由前一段叶片流 出的流体在进入后一段叶片时因叶片安装角不同而引起冲击，每两段叶片之间应 该留一定间距，否则，诱导轮的效率会大大降低，而间距大小又很难掌握，并且 会因此导致轴向尺寸过长。为了获得更高的汽蚀性能，目前国内有关学者已经对 变螺距诱导轮的串联使用展开了研究工作“。 ( 4 ) 采用几段等螺距叶片串联的结构 同样，按此形式设计的诱导轮，可看作是把几个螺距不同的等螺距诱导轮直 接串联起来使用。但等螺距诱导轮固有的弊端“7 1 ”仍然存在，且上述间距问题仍 然需要解决。 s s a 图3 4 螺距变化规律图 现令s 为螺距，x 为螺旋叶片旋转某角度后的弧长。 1 设s = 瓜m + b( 3 - 1 ) 利用进出口条件( x = x 1 = o 时，s = s t ；x ：x 2 时，s = s 2 ) ，可得： s ：垒善。吉+ s ( 3 2 ) 恐“ 当m = l 时，上式对应于a 线；当o m l 时， 上式对应于c 线。 通过上述分析，应取m 1 ，一般取m = l 3 。显然，选取m 值后，只要确定 了诱导轮入口和出口处的螺距值，就可由上式计算出任意轴向位置处的螺距值 了。以下将着重研究入口和出口螺距值的计算方法。 3 2 2 入口螺距s ，的计算 计算依据：诱导轮入口无汽蚀。由于诱导轮最先发生汽蚀的部位是其进口的 外径处，因此诱导轮自身汽蚀性能的好坏主要是由它的进口决定的。 1 4 江苏大学硕士学位论文 由定义可知： n p s h ：旦+ 笪一盟( 3 3 ) p g2 9p g 式中：n p s h _ 泵必须汽蚀余量( m ) p 0 _ 亏更入口压力( p a ) p 流体密度( k g m 3 ) v 0 诱导轮入口处吸入管内平均流速( m s ) p 。流体的饱和蒸汽压( p a ) 衡量泵汽蚀性能的一个常用准则是汽蚀比转速c ，定义为： =丽56丽2n,qc ( 3 - 4 )= i() t n p s h y ” 式中：q 流量( m 3 s ) n 一泵机组的转速( r m i n ) 在计算过程在中，汽蚀比转速可先根据经验选取，它跟泵的吸入管结构形式、 诱导轮入口轮毂处的轴伸情况以及入口流体的流态有关。对于轴向进口和无轴穿 过的诱导轮，c 值约为2 5 0 0 4 5 0 0 ，对于径向进口并有轴穿过的诱导轮，c 值约 为1 5 0 0 3 0 0 0 。考虑一定的安全裕度，可以用0 7 5 n p s h 值代替n p s h 值代入 式( 3 4 ) 计算n 。兼顾泵机组转速n 和汽蚀比转速c ，可确定n 、c 的值。 假定诱导轮入口流体的流动是均匀的，无预旋的且稳定的，则诱导轮汽蚀余 量n p s h i 可计算如下： n p s h i ：笠+ 五堕 ( 3 - 5 )= 二巫_ + 五三f l() 2 92 9 式中：c 。1 诱导轮进口前液流的轴向速度( m s ) 旯进口压降系数 w 。l 液体进入叶片的相对速度( m s ) ：垒：! 垒 ：塑 曩万( 口1 2 一矾。2 )万d f l 2 ( 1 一眚2 ) 式中：f l 诱导轮入口过流断面面积( m 2 ) d t l 诱导轮入口叶尖直径( m ) d h l 诱导轮入口轮毂直径( m ) ( 3 6 ) 江苏大学硕士学位论文 ；1 入口轮毂比，l = d h l d t l 由诱导轮入口叶尖处速度三角形可知： = 巳。2 + u ，2 式中：u 。i 入口圆周速度 ( 3 - 7 ) 上式代入式( 3 - 1 1 ) 得： c = 3 8 9 1 一点2 ( 1 2 力。掣2 ) ”4 砬，口 ( 3 1 4 ) 诱导轮入口轮毂比ll 可根据经验选取，其值大小与入口结构有关，并要考 虑强度满足要求，通常当诱导轮入口处无轴穿过时， l = o 2 o 3 ；有轴穿过时， t i = o 3 o 4 。选定c 值后，q b t l o p t 可由式( 3 1 4 ) 直接算出，对应的九值由式( 3 - 1 3 ) 计算。 江苏大学硕士学位论文 将中t l 。p t 值代入式( 3 一l o ) ，可计算出诱导轮最佳入口叶尖直径口l 。，如下 2 q i 蔬巧2 4 0 q 面= 2 8 9 7 x 岬3 一点q 而 3 _ 1 5 ) 为便于加工，将计算得到的d 。1 。值圆整为d 。i ( 精确到m m ) ，再代入上式，反 算出巾t i 值。 由式( 3 5 ) 、( 3 - 6 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 和( 3 1 5 ) 可得： n p s h ，= 0 0 0 3 5 2 ( 1 一点2 ) 一i q i ( ”西i ) j ( 1 2 藏1 2 ) + 1 ( 3 - 1 6 ) 由诱导轮进口速度三角形( 图3 5 ) 可知：谚l = 挚= 增屈。，则诱导轮入口 液流角b i l 可计算如下： 磊= a r c t g # , i ( 3 1 7 ) cn i t _ a t l 图3 5 诱导轮进1 ：2 速度三角形 将中。1 值代入上式，可算出b i l 值。考虑诱导轮入口叶片安装角屈。应比液流角大 一冲角d t l ，即： 屈1 = 屈1 + q l ( 3 1 8 ) 一般冲角a t l = 2o - 3o 。 根据螺旋线定义，可计算出诱导轮入口螺距s l 值，公式如下： s = 丌d f i 喀届1 ( 3 1 9 ) 用上式计算出的入口螺距值必须圆整为整数( 精确到m m ) ，并考虑工艺可 能性，进行适当调整。 3 2 3 出口螺距s ：的计算 计算依据：诱导轮产生的扬程满足泵主叶轮进口能量要求。 为使泵不发生汽蚀，诱导轮产生的扬程屿应大于装置汽蚀余量n p s h a 与 1 7 江苏大学硕士学位论文 泵主叶轮必需汽蚀余量n p s h r 的差，即： 鼠= n p s h r n p s h a ( 3 _ 2 0 ) 为了不在诱导轮本身内发生汽蚀，诱导轮本身的必需汽蚀余量n p s h i 应小 于或等于装置汽蚀余量n p s h a ，由于诱导轮允许在一定程度的汽蚀工况下工作， 可按两者相等进行计算，则： 鼠= n p s h r n p s h i ( 3 _ 2 1 ) 考虑到适当增加诱导轮扬程可以进一步提高泵叶轮的汽蚀性能，通常诱导轮 产生的扬程应满足如下经验公式口0 】： 髟= n p s h r n p s h i + o o s 专u 2 ( 3 z z ) 式中：u 2 厂诱导轮出口计算直径d p 处的圆周速度( m s ) 见= 扛面丽= 扛面丽 ( 3 2 3 ) 通常取d t l = d t 2 = d t ，2 = 0 3 0 4 。 u 2 p = 等 z 。， 必需汽蚀余量n p s h r 可采用下面公式计算【1 9 】： n p s h r = 如。2 ”鲁， z s ， 式中，c 。o 和u o 分别是离心轮进口前液流的轴向速度和圆周速度，1k 为离心轮 汽蚀系数，一般入k = 0 1 0 2 。 又n p s h i 的计算公式由式( 3 1 6 ) 已经给出，则泵机组不产生汽蚀所需的 诱导轮扬程值可以通过式( 3 2 2 ) 算出。 下面计算诱导轮实际扬程h 。值，由假定条件，诱导轮进口液流为无预旋的、 均匀的、稳定的流动，则其理论扬程为： h ：坠垒( 3 - 2 6 )h = 竺盥 g 由诱导轮出口处速度三角形( 图3 6 ) 可知： e 2 p = ，一c 卅2 p c 留厦p ( 3 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 图3 6 诱导轮出口计算直径处速度三角形 于是有： 麒：坠! ：二坠! 刍! ! 堡垒 g 式中：c 。2 廿诱导轮出口计算直径处液流轴向速度( m s ) 02 p 诱导轮出口计算直径处叶片安装角 对变螺距诱导轮，其轴向截面各半径处的导程是相等的 向截面处有： 2 z r t g f l 2 ，= 昱 由出口轴向截面任意半径处的速度三角形可知： ( 3 2 8 ) 则在诱导轮出口轴 ( 3 2 9 ) q 2 ，= ( u 2 ，一g 2 ，) t g 岛， ( 3 3 0 ) 根据诱导轮出口轴向任意半径r 处的周向速度环量t 相等的原则： q 2 ，= t (