摘 要:為了提高葉片泵抗汽蝕性能,降低相對(duì)流速,一般采用加大葉輪入口直徑設(shè)計(jì),這樣也提高了汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)(Nss)和入口回流系數(shù)(SRF),當(dāng)入口回流系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí),會(huì)導(dǎo)致高吸入能量泵的葉片損壞,同時(shí)也降低葉片泵在部分流量下工作的性能。對(duì)某高性能誘導(dǎo)輪葉片泵入口回流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,提出了入口回流抑制方法并做出優(yōu)化設(shè)計(jì),提升葉片泵在部分流量工作時(shí)的性能。
關(guān)鍵詞:葉片泵;汽蝕性能;入口回流系數(shù);回流穩(wěn)定器
引言
抗汽蝕性能是葉片泵性能的一個(gè)重要方面,決定了泵的工作穩(wěn)定性和工作區(qū)間。為了提高葉片泵的抗汽蝕性能,一般采用雙吸入口葉輪或者加大葉輪入口設(shè)計(jì)方法,主要目的是降低葉輪入口處的相對(duì)流速,減少低壓區(qū),從而提高汽蝕性能,而加大葉輪入口設(shè)計(jì)又可能帶來一些其它弊端。
例如:提高了葉片入口外緣的圓周速度,當(dāng)泵在部分流量下(低于最高效率點(diǎn)流量)運(yùn)行時(shí),會(huì)導(dǎo)致葉輪入口區(qū)域的流體與葉片分離并形成循環(huán)渦流,這便是入口回流。文獻(xiàn)[1] [2] [3]研究表明,對(duì)于高轉(zhuǎn)速高能量密度泵,這些渦流會(huì)在葉輪上產(chǎn)生很大的力,同時(shí)引起振動(dòng)或損壞。
葉片泵入口回流及回流穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)
表征入口回流強(qiáng)度的特征值定義為SRF(Suction Recirculation Factor),其計(jì)算公式是:
其中:
Nss為葉片泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)(gpm, rpm, ft)
U1為葉片入口圓周速度,單位(ft/s)
S.G.為介質(zhì)比重
以上表明:對(duì)于高吸入能量泵,也就是高汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù),大流量高轉(zhuǎn)速,高介質(zhì)密度會(huì)增加入口回流系數(shù)(SRF),入口回流引起泵振動(dòng)或損壞的可能性更大。文獻(xiàn)[1]給出了具體數(shù)值區(qū)間。
在葉片泵吸入端增加入口回流穩(wěn)定器可以減少葉片入口回流、減輕紊亂渦流,捋順葉片入口流線,抑制回流。從而起到既提高泵抗汽蝕性能,又提高泵工作強(qiáng)度穩(wěn)定性,延長(zhǎng)泵的無故障工作時(shí)間(MTBF)。
圖1示出了回流穩(wěn)定器結(jié)構(gòu),在葉輪前部外徑外側(cè)設(shè)置回流通道,將葉輪入口外側(cè)回流導(dǎo)回入口遠(yuǎn)端。序號(hào)1為回流穩(wěn)定器,序號(hào)2為離心輪前的誘導(dǎo)輪。
分析模型
以某型高速泵為研究目標(biāo),轉(zhuǎn)速為8810 rpm,額定流量為45 kg/s(常溫水)。通過數(shù)值計(jì)算模擬回流穩(wěn)定器對(duì)葉片入口回流的抑制作用、對(duì)流動(dòng)的捋順作用,對(duì)比給出增加回流穩(wěn)定器前后以及回流結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的誘導(dǎo)輪效率計(jì)算值、揚(yáng)程計(jì)算值、回流量計(jì)算值,給出汽蝕初生時(shí)的汽泡分布狀態(tài)。
設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu)模型,模型(a)不設(shè)置入口回流穩(wěn)定器,模型(b)設(shè)置入口回流穩(wěn)定器,模型(c)設(shè)置入口回流穩(wěn)定器,將誘導(dǎo)輪前伸,前緣圓弧段伸入到回流穩(wěn)定器中。
給定計(jì)算邊界條件為:入口總壓67 kPa,每種模型出口流量以額定流量的100%,60%,30%分別計(jì)算。
計(jì)算結(jié)果及分析
1.效率、揚(yáng)程、回流量對(duì)比分析
從以上計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出:
有回流穩(wěn)定器的模型,隨著泵流量的減小,通過回流穩(wěn)定器側(cè)壁的流量增加,穩(wěn)定了入口流量。回流穩(wěn)定器對(duì)入口回流導(dǎo)流有效。優(yōu)化設(shè)計(jì)后,將誘導(dǎo)輪前緣圓弧段伸入到回流穩(wěn)定器中,提升了泵在部分流量工作時(shí)的誘導(dǎo)輪揚(yáng)程和效率。
2.流線圖對(duì)比分析
圖中流場(chǎng)入口均在左側(cè),從以上流線圖中可以得出:
沒有加回流穩(wěn)定器的模型(a)在100%額定流量時(shí)入口側(cè)壁產(chǎn)生了回流區(qū),在60%額定流量時(shí),回流區(qū)擴(kuò)大,在30%額定流量時(shí),回流區(qū)充滿入口管道,擠占了葉片入口來流。
設(shè)置入口回流穩(wěn)定器(原設(shè)計(jì))模型(b)在全部30%-100%流量范圍內(nèi)葉輪入口均為平行來流,回流均通過回流通道流動(dòng),改善了葉片入口流場(chǎng)分布。但是在葉輪遠(yuǎn)端,在部分流量時(shí),回流會(huì)擠占入口流道,但這對(duì)葉輪入口附近了流場(chǎng)影響不大。
在部分流量時(shí),模型(b)在回流通道內(nèi)靠近葉輪側(cè)產(chǎn)生渦流,將誘導(dǎo)輪前緣圓弧段伸入到回流穩(wěn)定器中后,渦流消失,但此渦流對(duì)葉輪入口的流場(chǎng)影響不大。
3.汽蝕初生時(shí)的汽泡分布狀態(tài)對(duì)比分析
從以上汽蝕汽泡的分布圖可以得出結(jié)論:
增加回流穩(wěn)定器明顯減少了汽蝕初生時(shí)汽泡分布區(qū)域,顯著改善了葉片泵的汽蝕性能,特別體現(xiàn)在30%流量時(shí)。
將誘導(dǎo)輪前緣圓弧段伸入到回流穩(wěn)定器中,在30%流量時(shí)的汽泡分布區(qū)域?qū)Ρ饶P停╞),汽泡區(qū)域有所減少,略微改善了小流量時(shí)的汽蝕性能。
結(jié)論
葉片泵入口加回流穩(wěn)定器有效改善了葉片入口區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài),抑制了回流分布區(qū)域,減輕了入口渦流,顯著改善了葉片泵在部分流量下的汽蝕性能,對(duì)部分流量下的泵揚(yáng)程和效率有所提升,將誘導(dǎo)輪前緣圓弧段伸入到回流穩(wěn)定器中后,取得更略微優(yōu)化的效果。這些效果對(duì)于加大葉輪入口設(shè)計(jì)方案的高吸入能量泵很有益,會(huì)減輕振動(dòng)或損壞,建議高吸入比轉(zhuǎn)數(shù)葉片泵前加回流穩(wěn)定器。
作者:于海力 林楨 吳玉珍,北京航天動(dòng)力研究所
參考文獻(xiàn)