离心泵的叶片进口几何形状对泵汽蚀性能的影响

1、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,楚武利1,马文瑛2（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

2、值模拟；进口边形状中图分类号: TH311文献标识码:AEffect of centrifugal pumpblade inlet geometryon pump cavitation performanceZHANG Jianhua1,CHU Wuli1,MA Wenying2(1.Northwestern Polytechnical University, Xi,an 710072, China 2. Xi,an Space Pump Industrial Co., LTD Xi,an 710100)Abstract:In order to improve centrifugal pump

3、 cavitation performance, ZA150-315petrochemical centrifugal pump were studied. With the basic exterior parameters and rotationalspeed of centrifugal impeller were fixed, centrifugal impellers were generated with three different changes of thickness, the vapor-liquid two-phasedistribution and pressur

4、e distribution of centrifugal impeller inner flow were obtained by usingcomputer fluid dynamic method. Analysis of simulated results demonstrate that,The blade inlet geometry have effect on pump cavitation performance. The geometry of the blade inlet closer to streamline, the better to the pump anti

5、-cavitation performance, increasing the radius of curvature of the blade inlet section can reduce the pump cavitation allowance, improving pump cavitation performance.Keywords:centrifugal pump;cavitationperformance;numerical simulation;blade inlet geometry 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

6、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（ns=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

7、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1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)。图1三种离心泵方案叶片进口形状对比图1 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qV=220m3/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)。表1 叶轮的基本几何参数Tab.1 Basic geometric parameter

8、s of impellerD1/ mmD2/mm1/(°)2/(°)b2/mmZ16532416243019562 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7。其连续方程和动量方程为:1)连续性方程:混合流体相:（1）式中: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：（2）式中:为空泡相的质量组分;为水蒸气的生成率;为水蒸气的凝结率.2)动量方程:（3）式中: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的关系如下: （4

9、）式中:为空泡相流体的质量密度;为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2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326 003个，蜗壳为322 617个，节点数为141 701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 k- 双方程湍流模型8；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

10、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。图2 泵的三维模型3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0.6qv、1.0qv、1.2qv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

11、蚀状态，图3至图5给出了设计流量下（qv=220 m3/h）汽蚀系数=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（为1表示完全气相，为0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表示叶轮后盖板。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

12、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。图3方案一叶片背面空泡体积分数等值图图4方案二叶片背面空泡体积分数等值图图5方案三叶片背面空泡体积分数等值图图6 三种离心泵方案吸力面静压分布曲线3.2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： (5)式中，是泵进口压力，Vin泵进口处的平均速度

13、，PV是汽化压力，在此处水在25时的蒸汽饱和压力为3540Pa。图7 小流量下三种离心泵方案汽蚀性能曲线图8大流量下三种离心泵方案汽蚀性能曲线图9设计流量下三种离心泵方案汽蚀性能曲线表2三种离心泵方案设计流量下性能对比设计方案流量qV/(m3/h)扬程H/m效率/%汽蚀余量NPSHR/m汽蚀比转速C方案一22031.84686.361.451550.8方案二22032.87187.581.641414.0方案三22033.03786.181.761341.1图7至图9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

14、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值大于4.5m时，扬程H基本不变，这说明离心泵叶轮流道内没有发生汽蚀；当NPSHR值在3-4.5m时，扬程H开始出现明显下降的趋势，说明此时离心泵叶轮流道内汽蚀初生；当NPSHR值在1-3m时，随着NPSHR值继续变小扬程下降很快，曲线变得陡降，这说明离心泵叶轮流道内发生严重汽蚀。表2和图6清晰地反映了三种离心泵方案汽蚀状况：方案一的汽蚀余量最小，汽蚀比转速最高，方案二次之，方案三汽蚀余量最大，汽蚀比转速最低。这说明方案一抗汽蚀性能最好，方案二次之，方案三抗汽蚀性能最差。图1显示了三种离心泵方案叶轮叶片进口段形状，由图中

15、可以看出，方案一和方案二叶片进口形状接近流线型，曲线的倾斜度较大，而方案一比方案二有更大的曲线半径。数值计算结果表明：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改善泵的汽蚀性能。4 结论叶片进口段的形状影响泵的汽蚀性能，分析表明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。参考文献：1关醒凡.现代泵技术手册M.北京:宇航出版社,1995.2DularM,Olivier CD,Numerical modelling of cavitation erosion J.International Journal

16、 for Numerical Methods in Fluids ,2009,12(6): 15-19.3刘宜，张文军，杜杰. 离心泵内部空化流动的数值预测J. 排灌机械,2008,26(3):19-21.4BraeutigamP,Franke M,Ondruschka B,etal. Role of Different Parameters in the Optimization of Hydrodynamic CavitationJ.Chemical Engineering & Technology,2010, 8(6):734-736.5Jessica A,Zimberlin,Alfred J,Crosby.Water cavitation of hydrogelsJ.Polymer Physics, 2009,1(72),4-7.6 罗先武，张瑶，彭俊奇，等.叶轮进口几何参数对离心泵空化性能的影响 J.清华大学学报:自然科学版，2008,48(5):836-839.7Singhal A