不同工况下诱导轮对自吸离心泵汽蚀影响的研究

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不同工况下诱导轮对自吸离心泵汽蚀影响的研究

岳彬，李涛，张一鸣，顾玉华

（北京航空工程技术研究中心，北京 100076）

摘要：为研究诱导轮和不同环境工况对离心式自吸油泵汽蚀性能的影响，以某型号的自吸泵为研究对象，结合数值计算和试验研究了诱导轮对离心泵汽蚀的影响，并分析其机理。研究结果表明：泵组增加诱导轮后，20 ℃的空化汽蚀余量为1.96 m，较无诱导轮泵组减小了3.27 m，降低了62.52 %；-40 ℃工况下，空化汽蚀余量为1.31 m，较无诱导轮泵组减小了2.61 m，降低了66.58 %。本研究可以为离心泵的汽蚀性能设计提供参考。关键词：离心泵；叶轮；诱导轮；汽蚀

中图分类号：TH317 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2021)01-0106-07

Research on the Influence of Inducer on Cavitation Performance of Self-priming

Centrifugal Pump under Different Environmental Conditions

YUE Bin, LI Tao, ZHANG Yi-ming, GU Yu-hua

(Beijing Aeronautical Technology Research Center, Beijing 100076)

Ａｂｓｔｒａｃｔ：In order to study the influence of inducer and different environmental conditions on the cavitation performance of centrifugal self-priming pump, a certain type of self-priming pump was taken as the research object, combined with numerical calculation and experiment to study the influence of inducer on the cavitation of centrifugal pump, and its mechanism was analyzed. The research results show that: the cavitation margin at 20 ℃ is 1.96 m after the pump set has an inducer, which is reduced by 3.27 m and 62.52 % compared with that of a pump set without an inducer. Under -40 ℃ working conditions, the cavitation allowance is 1.31 m, which is reduced by 2.61 m and 66.58 % compared with that of the pump set without inducer. This study can provide a reference for the cavitation performance design of the centrifugal pump.

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：centrifugal pump; impeller; inducer; cavitation

引言

随着工农业的发展，石油、化工及水力电力等行业对具有优良进口性能的离心泵的需求与日俱增。泵［１］在运转中，若其过流部分的局部区域因为某种原因，当抽送的液体绝对压力降到当时温度的汽化压力时，液体就会在该处开始汽化，形成气泡。这些气泡随液体向前流动，到某高压处时，则气泡会在该区破灭。如果气泡的破灭发生在壁面附近，就会出现水击现象，随着频率很高的局部水击，经过一定时间之后就会对过流部件的表面造成破坏。这种产生气泡和气泡破裂使过流部件遭到破坏

的过程就是泵的汽蚀。

汽蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一，如何提高离心泵的汽蚀性能是流体机械泵研究领域的一个重要研究方向。一般泵汽蚀发源地是泵的叶轮进口处，所以要根治汽蚀必须防止在叶轮进口产生气泡。衡量泵抗汽蚀性能好坏的一个重要指标是汽蚀余量。泵汽蚀余量的物理意义表示液体在泵进口部分压力下降的程度。若泵的汽蚀余量低，则该泵的抗汽蚀性能好，反之则抗汽蚀性能差。

在泵进口加置诱导轮［２－６］是提高泵抗汽蚀性能的主要

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方法之一。与其它改善泵抗汽蚀性能诸多措施相比，加置诱导轮的优势在于结构简单、易于制造安装，造价较低、通用性强、维修更换方便，更适用于整个泵机组的改造。由于工作环境及泵本身性能的限制，很多情况下需要在离心泵前加装诱导轮来满足使用要求。

１研究对象及数值模拟

１．１　研究对象

本文主要针对ＸＸ型加油车用某型自吸离心泵进行数值仿真计算

［７，８］

研究，该泵主要由壳体、叶轮、齿轮

箱等零部件组成，结构如图１所示。主要针对该泵在高原高寒下的水力性能和汽蚀性能展开研究。高原海拔为４　５００　ｍ，最低运行温度为－４０　℃，首先，泵组输送的介质为３号喷气燃料，其物理性质如表１所示，其粘度相比于常温常压下的水较大，导致泵组在工作过程中摩擦损失较大，因此需对该介质下泵的性能展开数值计算研究；其次由于泵组要在高海拔下安全运行，并且需要保证一定的吸深高度，因此该泵需要非常好的汽蚀性能，一般泵组在设计时会通过水力设计兼顾汽蚀性能，但对于高要求的汽蚀性能的泵组，一般常采用前置诱导轮来大幅提高泵组的抗汽蚀能力，以达到特定的工况需求。

泵总装结构总装图如图１所示，图１（ａ）是无诱导轮的离心泵总装，分别为叶轮、蜗壳和分离腔组成，图１（ｂ）是诱导轮的离心泵总装，在图１（ａ）的基础上进口位置增加诱导轮。

下面具体给出泵的具体运行参数和叶轮的基本参数，表２为离心泵的几何参数和额定工况点。

１．２　数值模拟

数值仿真计算的网格建立和划分按照实际模型进行，本文研究对象结构较为复杂，其中诱导轮和叶轮同轴旋转，而进口引水管运行时存在进口管与诱导轮、叶轮与蜗壳间的动静干扰问题。考虑流动的复杂性，选取从进口引水管到出水引水管的３６０　°全流道进行计算。此外，为了避免内部流场对进出口边界有影响，对进出口管段

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延伸，长度约为１０倍进出口管道直径。建模模型分为进口段、叶轮旋转域和蜗壳及分离腔静止域三部分，如图２（ａ）所示，对叶轮区域进行网格划分；如图２（ｂ）所

表1 3号喷气燃料的基本物理参数

参数数值密度（20 ℃）/(kg/m3) 775～830黏度/(mm2/s), 20 ℃≥1.25黏度/(mm2/s), -20 ℃≤ 8饱和蒸汽压力（mmHg）200～360黏度/(mm2/s), 20 ℃

1 400

（a）无诱导轮

（b）诱导轮

图1 离心泵三维几何模型

表2 离心泵的几何参数和设计工况点

参数数值设计流量 m³/h

100扬程 m120叶轮出口直径mm296蜗壳基圆直径 mm

297叶片数

6

（a）叶轮网格

（b）蜗壳和分离器

图2 离心泵网格划分

示，　蜗壳和分离器网格划分结构。

采用ＡＮＳＹＳ　ＣＦＸ对离心风机的三维流场进行求解，通过求解雷诺时均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程进行模拟。离心泵介质（水或油）为不可压缩稳态流动，忽略重力和温度对流场的影响，离心泵流动基本上都是紊流状态，湍流模型采用ＲＮＧ　ｋ－ε模型，压力速度耦合方程采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，设置进口边界条件为压力进口，出口边界条件设置为质量流量，叶轮与进口及蜗壳间交界面设置成动静交界面，静止域和转动域采用冻结转子法连接。所有固体壁面均为无滑移、绝热壁面，收敛精度设为１×１０－５。空化汽蚀模拟计算以稳态计算结果作为计算的初始条件，收敛精度与稳态一致。设置如图３所示。

为了获得泵的汽蚀余量，通过改变进口压力使离心泵发生空化，记录不同吸水室压力下的泵汽蚀性能。

为后续全面展开离心泵在不同环境下３号喷气燃料介质使用工况下的仿真计算，需首先验证仿真的准确性，该泵（带诱导轮）在水力试验台进行过常温水质下的试验，对其进行仿真计算并和试验数据进行比对，以验证仿真计算的可靠性，为离心泵的设计优化和工程应用提供一定的参考价值。边界条件设置如表３所示。

通过上述的方法对自吸离心泵进行仿真计算，通过仿真计算结果可以得出泵组的外特性曲线，如图４所示，泵外特性的数值计算和试验对比结果可以看出，数值计算的结果较试验偏高，由于数值计算中忽略了前后盖板间隙等流动损失，造成计算结果数值偏大，在额定工况点Ｑ＝１００　ｍ３／ｈ时其误差约为７　％，但其趋势在全流量基本保持一致，数值仿真计算结果可以为叶轮优化设计和工程应用提供一定的参考。

２离心泵在喷气燃料介质下性能模拟计算分析

对离心泵诱导轮下进行数值仿真计算，分别对介质为２０　℃和－４０　℃下的３号喷气燃料进行计算。

２．１　无诱导轮离心泵在不同环境下的仿真计算图５给出了单叶轮分别在叶片数７、叶片数９和叶

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图3 计算模型前处理设置

表3 整机去滤芯试验测试和仿真计算对比

参数数值进口压力 Pa101 325出口流量kg/s27.69密度kg/m³997转速r/min3 000参考大气压Pa

0

图4 泵的性能预测与试验值对比

图5 不同环境下泵在3号喷气燃料下的外特性曲线

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片数１１下的外特性曲线。

根据仿真计算结果，图５为不同环境下泵在３号喷气燃料下的外特性曲线，得出泵组的外特性曲线，和图４水介质的外特性对比，泵外特性的数值计算和试验对比结果可以看出，水介质和３号喷气燃料介质的压力－流量性能曲线趋势一致，可以看出介质的变化会影响泵的压升，而不会改变泵的性能，类似于泵的相似换算，后期可以针对不同的介质进行研究，总结相应的规律。

随着环境温度的降低，介质的粘度会随温度的降低而增大，当介质粘度增大，会造成扬程降低，这是因为运动粘度增大，在流动过程中介质和叶轮的摩擦力增大，因此造成扬程降低，在额定工况Ｑ＝１００　ｍ３／ｈ时，泵在－４０　℃环境下工作较在２０　℃环境下其表压降低了４．１３　％，说明粘度对泵组性能的影响较大，在高寒环境下进行工作时，为满足特定需求需要适当的提高泵组的转速。

２．２　　有诱导轮不同环境下的仿真计算

如图６所示，对不同介质工况下泵的性能进行对比，工况１、工况２、工况３和工况４分别为：无诱导轮、常温常压，无诱导轮、高原高寒，诱导轮、常温常压和诱导轮、高原高寒，数值计算结果得到，泵组在额定工况下（Ｑ＝１００　ｍ３／ｈ）分别在２０　℃　和－４０　℃环境工况下的表压分别为１．２７　ＭＰａ和１．２１　ＭＰａ。其中趋势和无诱导轮计算结果相同，随着介质粘度的增加，其压升会相应的降低。

由数值计算仿真外特性可以得到和无诱导轮计算仿真结果相同的结果，温度越低，粘度越大，表压越低，因此在优化时和设计选型时要考虑环境变化引起介质粘度的变化所导致的泵压变化。

图７是叶轮区域的涡核分布图。图示在靠近上部蜗舌处的叶轮流道内有明显的涡核，并且有无诱导轮均在－４０　℃时的工况更为严重，有可能是介质粘度增大所产生的摩擦力加巨了叶轮内部的涡流，因此导致其扬程有所降低。涡流分布的位置都是位于叶轮出口在靠近蜗壳上部蜗舌处。

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３离心泵在喷气燃料介质下汽蚀模拟计算分析

为满足泵组在高原高寒工况下安全运行（大气压５９　７８１．７　Ｐａ和－４０　℃），不仅泵组的性能参数要满足要求，汽蚀性能是保证泵组安全运行的最主要的参数之一，因此必须对泵组的汽蚀性能进行考核。在额定工况下必须满足低气压下（５９　７８１．７　Ｐａ）和３　ｍ的吸深要求，并且要保证０．５　ｍ的安全余量，因此泵组的汽蚀余量不能大于２．５　ｍ，运行工况环境相当严酷。

图6 3号燃料介质在不同工况下的性能比对

（a）20 ℃无诱导轮（b）-40 ℃无诱导轮

（c）20 ℃有诱导轮（d）-40 ℃有诱导轮

图7 叶轮区域的涡核分布图

计算模型采用性能计算模型进行汽蚀仿真计算，对有无诱导轮进行仿真计算，计算额定工况流量Ｑ＝１００　ｍ３／ｈ下泵的汽蚀性能，采用与实验相同的方法，通过降低泵的进口压力使其产生汽蚀，进而得到泵在额定工况下的汽蚀性能，汽蚀的参考标准为泵的扬程下降超过３　％即认为发生汽蚀。分别对无诱导轮离心泵在不同环境下（２０　℃和－４０　℃）进行汽蚀仿真计算，其中设２０　℃和－４０　℃环境下的饱和蒸汽压力分别为３　２００　Ｐａ和３　０００　Ｐａ，进口压力边界条件从入口静压（１０１　３２５　Ｐａ和５９　７８１．７　Ｐａ）依次以１０　０００　Ｐａ递减，直至泵发生汽蚀停止计算，在汽蚀点附近可以适当增加工况点。

３．１　汽蚀仿真外特性结果分析

对离心泵有无诱导轮在不同环境工况下进行汽蚀仿真计算，计算结果如图８所示。在无诱导轮情况下，－４０　℃工况下的饱和蒸气压值偏小，空化汽蚀余量为３．９２　ｍ，２０　℃的空化汽蚀余量为５．２３　ｍ，因此随着环境温度的变低，其饱和蒸汽压力值减小，汽蚀余量值变小。带诱导轮离心泵汽蚀计算结果趋势基本和无诱导轮一致，－４０　℃工况下，空化汽蚀余量为１．３１　ｍ，２０　℃的空化汽蚀余量为１．９６　ｍ。同介质随着温度的降低汽蚀余量随之降低。在同样环境温度下，加装诱导轮后，泵的抗汽蚀能力明显增强，２０　℃的空化汽蚀余量为１．９６　ｍ，较无诱导轮泵组减小了３．２７　ｍ，降低了６２．５２　％，－４０　℃工况下，空化汽蚀余量为１．３１　ｍ，较无诱导轮泵组减小了２．６１　ｍ，降低了６６．５８　％。

３．２　汽蚀仿真性能结果分析

设工况Ａ为当前环境下大气压设为进口压力的汽蚀计算结果，工况Ｂ为已经完全汽蚀的计算点。图９～图１２为Ｚ＝Ｏ截面（叶轮轴面中间截面）的空泡形态。

图９和图１０依次对应了图８中曲线的实心点中空泡的形态的两个工况点。从扬程曲线可以看出：当ＮＰＳＨ值较大时泵的能量特性几乎不受影响，出口压力变化不大（工况Ａ）；随着ＮＰＳＨ的逐步降低，扬程出现不同程度的下降趋势，说明此时泵叶轮内已开始发生空化（工况Ｂ）；ＮＰＳＨ值继续变小时出口压力陡降，此时叶轮内

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空化区域逐步增大。出口压力的急剧下降对应于空化区域的骤然变化，主要是由于成长的空泡急剧增大导致叶轮部分有效过流面积减小造成的。图１１和图１２为带诱导轮的离心泵叶轮的空泡形态，与无诱导轮的计算结果趋势一致。

图8 有无诱导轮下泵的汽蚀余量对比

（a）工况A

（b）工况B

图9 无诱导轮离心泵20 ℃下叶轮的空泡形态

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（a）工况A（a）工况A（a）工况A

（b）工况B

图10 无诱导轮离心泵-40 ℃下叶轮

的空泡形态

（b）工况B

图11 带诱导轮离心泵20 ℃下叶轮的

空泡形态

（b）工况B

图12 带诱导轮离心泵-40 ℃叶轮的

空泡形态

４结论

针对泵组在不同工况运行条件，通过数值计算仿真结果对比可以得到：

１）在无诱导轮的情况下，泵的汽蚀余量数值较大，抗汽蚀能力相对较差，尤其在高原高寒环境下，在额定流量工况下必须满足低气压下（５９　７８１．７　Ｐａ）和３　ｍ的吸深，汽蚀余量不能超过２．５　ｍ，仿真计算结果得到，－４０　℃工况下的饱和蒸气压值偏小，空化汽蚀余量为３．９２　ｍ，２０　℃的空化汽蚀余量为５．２３　ｍ，因此该泵组在无诱导轮的情况下不能在该环境下运行，极易发生汽蚀，导致叶轮损坏，泵组停止工作。

２）泵组加装诱导轮后其抗汽蚀能力得到很大的提高，２０　℃的空化汽蚀余量为１．９６　ｍ，较无诱导轮泵组减小了３．２７　ｍ，降低了６２．５２　％，－４０　℃工况下，空化汽蚀余量为１．３１　ｍ，较无诱导轮泵组减小了２．６１　ｍ，降低了６６．５８　％。因此诱导轮可以有效的提高泵组的抗汽蚀能力，并且能满足高原高寒的运行工况。

３）数值计算结果显示，无诱导轮泵组不能满足在高原工况下保证３　ｍ的自吸高度下运行，通过加装前置诱导轮可以满足系统工况运行，通过数值计算仿真为泵组的设计提供了一定的参考依据，具体参数性能需通过实验进行进一步验证，以保证安全可靠。

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（下转132页）

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理人员对知识进行审批，并留下相应的日志，为以后的知识审批和事故查询提供参考和依据。若不通过，同样不允许发布，重新回到第一阶段继续完善知识。

４）知识发布阶段：在检验完知识的正确性和实用性后，同样由部门经理将该知识发布到知识库管理方，由其将知识导入到系统中，进行知识库的更新与维护。

６　结论

针对当前我国在电网运检领域的不足，本文设计了一套基于ＡＲ技术的计量运检智能辅助系统，含ＡＲ头盔及智能分析系统。图像识别技术及语音交互技术的深入运用，将改变当前计量巡检工作方式，能有效的辅助计量人员完成以往无法完成的工作，不仅提升安全主动警示的能力，而且提高计量巡检效率。

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作者简介：

赵亮（1988-），男，高级工程师，长期从事电子设备热管理工作。

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