离心泵汽蚀现象及提高泵抗汽蚀性能的措施

本文从离心泵汽蚀现象产生的原因进行分析,从中找出抗汽蚀性能的措施,减少汽蚀发生的几率,从而提高离心泵的运行效率和运行寿命。     

离心泵汽蚀的诊断

本文第一次刊登于1992第一期 Sulzer 技术周报上。这里经 Sulzer 兄弟有限公司许可,刊载如下。     

50IB-32型离心泵汽蚀性能的数值模拟与试验

为研究离心泵汽蚀时其内部流动规律,基于Rayleigh-Plesset汽蚀模型和RNGk-ε湍流模型,对50IB-32型模型泵设计工况下汽蚀性能进行全流场数值计算.选择汽蚀发生点、临界汽蚀点以及汽蚀严重点3个工况比较分析叶轮内汽蚀的发展情况.数值计算获得了叶片工作面静压、叶片背面静压以及不同汽蚀余量下叶片背面气泡相体积分布图.计算结果表明:气泡最先出现在叶片背面进口低压区,随着进口压力的降低,气泡开始由进口处向流道内扩展,气泡相在叶片上的分布逐渐增大,在临界汽蚀点时,气泡分布已经扩散到流道内.随着汽蚀程度进一步加剧,气泡相分布向出口方向扩展,严重时气泡充满流道,干扰和破坏叶轮内液体的能量交换,引起汽蚀性能曲线下降.离心泵汽蚀试验结果与数值计算结果相吻合,验证了数值计算的可靠性.     

离心泵汽蚀特性分析

根据离心泵汽蚀余量的计算公式来分析影响泵汽蚀特性的因素,主要包括泵体设计和叶轮进口设计.假设泵进口来流无预旋,将由流动变量表征的泵汽蚀比转速公式,改写为由几何参数也就是反应泵体设计和叶轮进口设计的两个系数以及进口叶片安放角和轮毂比表示的形式,并通过绘制汽蚀比转速的图谱来分析影响泵汽蚀比转速的设计因素.通过图谱发现,获得最高汽蚀比转速对应的最优进口叶片安放角在10°-30°之间,叶轮进口处的设计比泵体的设计对泵汽蚀比转速的影响大.另外,根据初生汽蚀比转速的计算公式认为,基本上所有的离心泵都在汽蚀状态下工作.划分了离心泵的容许汽蚀运行区域的边界,即扬程下降0.5%时对应的汽蚀比转速曲线.     

基于神经网络的离心泵汽蚀性能预测

介绍了离心泵汽蚀性能预测的研究现状,分析了离心泵汽蚀性能预测的主要研究方法．根据设计流量下离心泵汽蚀余量的影响因素,确定人工神经网络的拓扑结构．应用MATLAB的神经网络工具箱,建立单级单吸离心泵汽蚀性能预测的BP神经网络（Back Propagation Neural Network）和RBF神经网络（Radial Basis Function Neural Network）两种人工神经网络模型．用工程实践中得到的57台离心泵几何参数和试验数据作为样本来训练建立好的网络,并用6台离心泵的数据来测试网络．预测值与试验值的相关性分析表明,BP和RBF网络的预测结果均较好,其中BP网络预测模型的平均相对偏差为5．69％,RBF网络预测模型的平均相对偏差为6．32％,可满足工程应用的要求．     

离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计

从泵效率和抗汽蚀性能两者互为兼顾的观点出发，分析了离心泵叶轮几何参数与泵效率、汽蚀性能之间的定性关系。结合设计经验和实例，提出了叶轮主要几何参数的取值范围。     

离心泵汽蚀现象及其判断

通过实例分析,说明了离心泵运转过程中出现汽蚀的各种可能与否的原因,并阐述了影响判断的各种因素。     

离心泵汽蚀非稳定流动特性数值模拟

为研究离心泵发生汽蚀时流道内部变化规律,通过三维软件Pro/E对离心泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程及SIMPLEC算法,采用全空化模型并考虑水中未溶解气体对空化的影响,应用计算流体力学软件CFX对离心泵全流道内的气液两相湍流进行了数值模拟计算,分析了离心泵内部发生汽蚀时的非定常流动的规律。结果表明:在汽蚀初生到临界汽蚀余量这一区间范围内,气体体积分数主要集中在无量纲径向位置为0.2附近的一段区间内。随着汽蚀余量的降低,气体体积分数的密度会相应地增加,受叶轮和蜗壳的耦合作用呈现不对称分布,在汽蚀初生时叶轮流道内压力波动呈正弦周期性变化。随着汽蚀余量的降低和气体分数的增加,叶轮流道内压力呈现不规则变化,压力脉动从隔舌处开始沿着叶轮旋转方向逐渐衰落。     

低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟

阐述低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流汽蚀流场进行数值模拟。根据计算结果的液相和空泡相主要流动特征,分析汽蚀发生过程叶片上的静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。     

离心泵叶片开槽抑制空化数值模拟

为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,提出在叶片压力面开槽的方法来抑制空化。针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Kubota空化模型,采用SST k-ω模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析。模拟结果表明：叶片表面开槽后,离心泵各个工况下的扬程有所上升,在设计点扬程提高12.8%,同时效率提高4.2%。叶片开槽可以有效阻止低压区域向外扩张,改变压力的分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。叶片开槽可以优化流场结构,使流道内的压力增加,减小空泡的体积分数。叶片开槽时离心泵叶轮内空泡体积在空化的各个阶段均小于无槽时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,开槽时空泡体积持续衰减。     

基于平衡孔偏移的离心泵空化性能改善研究

为了改善离心泵的空化性能,提出将平衡孔位置移至靠近叶片背面的方法。采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同空化数下平衡孔偏移前后的模型空化流场进行了数值计算与分析,结果表明:与原模型泵试验值相比,平衡孔偏移后,扬程、效率均有所下降,扬程降低幅度在4%之内,效率降低幅度在5%以内;在1.2Qe、Qe及0.8Qe流量下,平衡孔偏移后临界空化数均有所降低。平衡孔偏移改变了叶片背面静压低压区的分布,降低了叶片背面低压区流速,同时降低了流道内湍动能,提高了离心泵的空化性能;平衡孔偏移可以有效减小流道内空泡体积分数,改善叶轮流道内的流动条件,减弱空泡对流道的堵塞程度;平衡孔偏移后在一定程度上减小了轴向力,改善了离心泵受力状态。     

叶片交错布置对双吸泵空化性能的影响分析

为研究叶片交错布置对双吸离心泵空化性能的影响,选用RNG k-ε湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型,考虑泵腔和工艺圆角的影响,分别对叶片交错角为0°、10°、15°、20°、30°的5组角度在设计工况下进行了全流场空化流动模拟和性能试验。为突出研究结论的共性,引入交错度的定义,并分析了不同交错度下叶轮中间流面的空泡分布、扬程和叶轮扭矩变化,同时验证了所选数值计算模型的准确性;从数值分析中得到,选择合理的交错度可以有效提高双吸离心泵的抗空化性能。不同交错度下叶轮所受扭矩急剧下降时对应的有效空化余量均不同,当交错度为1时,叶轮所受扭矩在未空化时较为稳定且在空化时损失较少;当有效空化余量小于临界空化余量时,双吸离心泵叶轮流道内低于当地空化压力的区域,交错度为1时相对最少,即空泡占据流道过流面积最少,此时双吸叶轮的空化特性也相对较好。     

离心泵叶片表面布置障碍物抑制空化的数值模拟与实验

以一台比转数为32的低比转数离心泵作为研究模型,提出了一种在叶片工作面加障碍物的方法来抑制空化初生及发展的方法。在不同空化数下,采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型对模型泵叶片表面在有、无障碍物条件下进行三维非定常数值模拟,结果表明:低比转数离心泵在有障碍物运行时扬程下降在5%以内,效率下降在3%以内,设计点扬程下降3%,效率下降1.2%。障碍物可以有效增大叶片近壁湍动能,改变压力分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。障碍物可以优化流场结构,削弱靠近叶片背面的旋涡强度,对靠近隔舌区域的叶片工作面和背面作用效果明显。有障碍物时离心泵叶轮内空泡体积在空化各个阶段均小于无障碍物时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,障碍物使空泡体积持续衰减。空泡尺度发展到障碍物位置时,障碍物可以较大程度减低压力脉动主频幅值,对流场优化产生最佳效果,在空化发展其他阶段,障碍物会对叶轮内压力脉动造成小幅扰动。     

交错叶轮双吸离心泵空化特性研究

为了探究交错叶轮双吸离心泵的空化性能,结合Rayleigh-Plesset空化模型和RNGk-ε湍流模型,对一叶轮两侧叶片进行交错布置结构的双吸离心泵内部空化流动进行了数值模拟,分析了空化对泵内压强分布的影响,绘制了空化特性曲线,并分析了不同工况下叶轮所受径向力,同时研究了空化对叶轮叶片空泡体积分数及泵内湍动能分布的影响。结果表明,交错叶轮双吸离心泵空化特性同常规离心泵空化特性具有一致性,空化对叶轮所受径向力大小以及湍动能分布都有较大影响。     

离心泵叶片吸力面粗糙带抑制空化效果研究

提出一种在叶片前缘吸力面布置粗糙带抑制空化的方法。选用低比转数离心泵作为研究对象,利用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型对离心泵全流域进行空化数值模拟。通过对比不同空化数下有、无粗糙带结构离心泵叶轮内的流场结构、湍动能分布、速度矢量、空泡体积变化和监测点压力脉动结果,分析粗糙带结构对离心泵工作性能的影响和空化抑制效果。结果表明：粗糙带结构对离心泵扬程和效率的影响较小,不会对离心泵工作性能造成较大影响;布置粗糙带后,叶轮内的流场分布得到改善,漩涡强度减弱,流动变得平稳;粗糙带结构有效抑制了空泡的初生,减弱了初生阶段湍流带来的能量耗散,对空化严重阶段的空泡体积也有一定的抑制效果;粗糙带结构对叶轮进口处、叶轮外缘和蜗壳隔舌处的主频压力振幅影响较小,对粗糙带结构之后且靠近该结构流域的压力脉动产生不同程度的扰动。     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。     

低比转速离心泵内部流场的数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent对低比转速离心泵叶轮内的三维流动进行了数值模拟,不同工况下模拟所得到的结果与实际情况非常吻合。通过对压力场的分析提出了判断叶轮内是否发生空化初生和计算水泵必需空化余量△hr的简洁方法;通过对速度场的分析,从另外一个角度印证了加大流量的设计方法。同时也为分析水泵性能、优选设计方案,提供了一个可靠的途径。     

空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响研究

为研究空化对超低比转数离心泵内压力脉动的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了IB 50-32-250型超低比转数离心泵在不同有效汽蚀余量下不同位置处的压力脉动,并对其频域和幅值特性进行了分析。结果表明:空化会诱导产生低频及宽频脉动。无空化时,叶轮流道内压力脉动主频为转频及其倍频,蜗壳内压力脉动受叶轮和隔舌间的相互作用激励,主频为叶频及其倍频,且与隔舌越近脉动越强。随着有效汽蚀余量的减小,叶轮通道中大部分测点的压力脉动幅值减小,但空化区边缘的脉动幅值增大;临界空化时,叶轮进口附近的压力脉动主频由转频变为1/6倍转频。此外,蜗壳内流场的不均匀变化导致蜗壳内压力脉动幅值增大;临界空化时,蜗壳及泵出口处的主频仍为叶频,但1/6倍转频成为幅值较大的次频。     

离心泵叶轮内汽蚀发生的理论探讨

计算流体动力学(CFD)技术在水力机械内部流场计算中应用日益广泛,已成为优化设计的重要工具。为此,介绍了汽液两相流混合模型的基本方程,并应用离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,数值模拟稳定工况下工质为清水低比速离心泵叶轮的汽蚀两相流场的分布情况,同时采用CFD软件分析汽蚀发生过程中的叶片静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性,为高抗汽蚀性能低比速离心泵的优化设计提供理论基础。