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技術(shù)文章/Technical articles
誘導(dǎo)輪葉片泵入口回流抑制及對性能的影響
2021-08-16 14:11:22力士霸泵業(yè)

摘  要:為了提高葉片泵抗汽蝕性能,降低相對流速,一般采用加大葉輪入口直徑設(shè)計,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)達到一定數(shù)值時,會導(dǎo)致高吸入能量泵的葉片損壞,同時也降低葉片泵在部分流量下工作的性能。對某高性能誘導(dǎo)輪葉片泵入口回流進行了數(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,提升葉片泵在部分流量工作時的性能。


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)計方法,主要目的是降低葉輪入口處的相對流速,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(低于最高效率點流量)運行時,會導(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[1] [2] [3]研究表明,對于高轉(zhuǎn)速高能量密度泵,這些渦流會在葉輪上產(chǎn)生很大的力,同時引起振動或損壞。


葉片泵入口回流及回流穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)


表征入口回流強度的特征值定義為SRF(Suction Recirculation Factor),其計算公式是:

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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)密度會增加入口回流系數(shù)(SRF),入口回流引起泵振動或損壞的可能性更大。文獻[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,又提高泵工作強度穩(wěn)定性,延長泵的無故障工作時間(MTBF)。


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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)回入口遠端。序號1為回流穩(wěn)定器,序號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)值計算模擬回流穩(wěn)定器對葉片入口回流的抑制作用、對流動的捋順作用,對比給出增加回流穩(wěn)定器前后以及回流結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的誘導(dǎo)輪效率計算值、揚程計算值、回流量計算值,給出汽蝕初生時的汽泡分布狀態(tài)。


設(shè)計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%分別計算。


計算結(jié)果及分析


1.效率、揚程、回流量對比分析    


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從以上計算數(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)定器對入口回流導(dǎo)流有效。優(yōu)化設(shè)計后,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的誘導(dǎo)輪揚程和效率。


2.流線圖對比分析


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圖中流場入口均在左側(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%額定流量時入口側(cè)壁產(chǎn)生了回流區(qū),在60%額定流量時,回流區(qū)擴大,在30%額定流量時,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)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,改善了葉片入口流場分布。但是在葉輪遠端,在部分流量時,回流會擠占入口流道,但這對葉輪入口附近了流場影響不大。


在部分流量時,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,但此渦流對葉輪入口的流場影響不大。


3.汽蝕初生時的汽泡分布狀態(tài)對比分析


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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。


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,對部分流量下的泵揚程和效率有所提升,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。這些效果對于加大葉輪入口設(shè)計方案的高吸入能量泵很有益,會減輕振動或損壞,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,北京航天動力研究所


參考文獻


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