切割叶轮对离心泵气蚀性能影响的数值分析*

毕智高，林禄彬，李史珍

(1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2.中油国际管道公司中哈天然气管道项目，北京 100007)

当离心泵所输液体的绝对压力降至其所处温度下的饱和压力时，液体开始汽化而产生汽泡，气泡随液体流动至高压处发生溃灭，该现象称为气蚀，气蚀是限制离心泵性能提高的主要因素之一。气蚀余量对于离心泵的设计、试验和使用都是十分重要的气蚀基本参数。设计时根据对气蚀性能的要求进行，若用户给定了具体使用条件，则泵设计的必需气蚀余量(NPSHr)必须小于按使用条件确定的有效气蚀余量(NPSHa)[1]。一般以与不发生气蚀时的扬程相比下降3%的点为泵气蚀的临界点[2-3]。关于泵气蚀[4-7]国内学者已有较为广泛的研究。

随着叶轮外径的不断切割，泵的气蚀性能越来越差是业界的共识，然而对于气蚀性能变差的原因相关的研究则相对少见。对于大多数泵企，在新产品出厂前进行全直径叶轮和最小直径叶轮的气蚀测试，并利用线性插值法得出中间各个直径下的气蚀数据；有时候仅以全直径下的气蚀曲线作为所有直径下叶轮的气蚀曲线，显然这种方法不太合理。

为了获得切割叶轮所导致泵气蚀性能变差的原因，通过CFX商业软件，利用CFD数值模拟的方法在额定转速下对某双吸离心泵不同叶轮切割直径下的气蚀性能进行分析。

1 模型参数与数值模拟

采用的泵模型见图1。设计工况为流量1 580 m3/h，扬程75 m，转速1 780 r/min，比转速为117，最大叶轮直径430 mm。对该叶轮进行3次切割，分别为390、370和350 mm。

由于双吸泵结构的对称性，取进口吸入管段、叶轮旋转域、蜗壳流道和出口直管段的一半流场为4个计算域。采用ICEM软件，利用自适应较好且工程中应用广泛的四面体网格划分计算域，网格数量依次为100万、200万、200万和50万，见图2。

b 蜗壳、吸入室水体网格图2 计算域网格

采用标准k-ε湍流模型，进口设为总压边界条件，出口为流量出口边界条件，通过改变进口的静压调节装置气蚀余量。周期面为镜像对称边界，其他均为光滑壁面。动静交接面采用冻结转子模式。空化模型选为Zwart，所输介质为常温25 ℃的液态纯水和气态水蒸气，水的饱和压力设为3 169.6 Pa[8]。

2 结果与分析

以未发生气蚀条件下的扬程下降3%作为临界气蚀点，即该点对应的气蚀余量为必需气蚀余量NPSHr。调节进口压力值[9]，依次计算作出4组叶轮直径下的NPSHr-Head气蚀曲线，见图3。

NPSHr/m图3 不同切割直径下叶轮的气蚀曲线

由图3可知，随着叶轮直径的切割，扬程逐渐降低，因此用以判别NPSHr的扬程下降量较全直径叶轮也逐渐减少，进而可得出NPSHr呈现逐渐增大的趋势。在叶轮全直径时，扬程曲线超过临界气蚀点则显著下降，而对于切割直径的叶轮超过气蚀点后，扬程曲线缓慢下降。NPSHr的增幅随着叶轮的切割越来越大，其趋势见图4。

叶轮直径切割率/%图4 NPSHr随叶轮切割量的变化

由图4可知，叶轮小于10%的切割量，可以认为NPSHr与全直径的值十分接近。因此，在实际工程应用中，NPSHr曲线从全直径到最小直径线性差值并不合理，会导致切割量较小时的叶轮NPSHr估值过高，而切割量较大时的NPSHr估值过低。

不同切割直径下叶轮叶片的静压分布云图见图5，不同切割直径下叶轮叶片的空泡分布图见图6。

a D=430 mm

b D=390 mm

c D=370 mm

d D=350 mm图5 静压分布图

a D=430 mm

b D=390 mm

c D=370 mm

d D=350 mm图6 空泡分布图

由图5和图6可知，对于相同NPSHa下的不同切割直径的叶轮，直径依次减小时其低压分布区域以及气蚀发生时的空泡区域的分布都非常相似。由此可以判断，叶轮的切割不会导致进口的流态变差，进而导致气蚀的恶化。

4组直径叶轮条件下从泵的进口到叶轮的出口静压变化情况见图7。

图7 泵吸入进口到叶轮出口的静压变化

由图7可知,随着叶轮直径的减少,泵进口法兰到叶轮吸入口的压力降变化并不大,因而叶片进口处的低压区并无显著区别。叶轮的切割并不会使叶轮内部的气蚀程度增加。

综上可知，叶轮的切割并不会导致进口流态和气蚀情况的恶化，在进口压力条件没发生变化的情况下，气蚀发生的程度保持一致。但是叶轮的切割导致总扬程的下降，使得3%的扬程下降值对于小直径的叶轮偏于严苛，也成为通过气蚀曲线计算得出的NPSHr变大的原因。

3 结 论

(1)随着叶轮的切割，NPSHr呈现增大的趋势，低于10%的切割，NPSHr的变化不大，高于10%的切割NPSHr迅速增加；

(2)随着叶轮的切割，气蚀曲线超过临界点并不会发生扬程陡降的现象，即随着进口压力的进一步降低，扬程呈现缓慢下降的趋势；

(3)相同进口压力下，叶轮的切割并不会导致进口流态恶化，也不会导致气蚀现象加剧。