誘導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)
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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），當入口回流系數(shù)達到一定數(shù)值時，會導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，當泵在部分流量下（低于最高效率點流量）運行時，會導致葉輪入口區(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：
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）。
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)設置回流通道，將葉輪入口外側(cè)回流導回入口遠端。序號1為回流穩(wěn)定器，序號2為離心輪前的誘導輪。
分析模型
以某型高速泵為研究目標，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)。
設計3種結(jié)構(gòu)模型，模型（a）不設置入口回流穩(wěn)定器，模型（b）設置入口回流穩(wěn)定器，模型（c）設置入口回流穩(wěn)定器，將誘導輪前伸，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
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)定器對入口回流導流有效。優(yōu)化設計后，將誘導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輪揚程和效率。
2.流線圖對比分析
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。
設置入口回流穩(wěn)定器（原設計）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
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