蔡 彬 張 凱

2南京河西新城區(qū)開發(fā)建設(shè)指揮部）

一、噴泉瀑布離心泵汽蝕及所產(chǎn)生的危害

現(xiàn)在應(yīng)用于園林噴泉及大型瀑布景觀的水泵大多數(shù)是采用離心水泵，目的是將水提升到一定的高度沿著水池口落下形成瀑布景觀，大流量的噴泉瀑布離心泵需要建立水泵房，通過水泵旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成水流的動能和勢能。噴泉瀑布離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于葉輪進(jìn)口處液體局部壓力降低而導(dǎo)致其內(nèi)生成汽泡，在稍后壓力升高處汽泡又縮小或消失，出現(xiàn)水力機(jī)械所特有的汽蝕現(xiàn)象。當(dāng)噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕時，葉輪會遭受汽蝕破壞，影響噴泉瀑布離心泵性能并妨礙其正常運(yùn)行。首先，噴泉瀑布離心泵汽蝕時葉輪內(nèi)液體的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現(xiàn)為流量—揚(yáng)程曲線﹑流量—軸功率曲線﹑流量—效率曲線下降。嚴(yán)重時會使噴泉瀑布離心泵中的液流中斷，不能工作。其次，因?yàn)槠g過程是非常態(tài)的，導(dǎo)致液流產(chǎn)生較大的壓力脈動，但壓力脈動的頻率和相關(guān)部件的固有頻率一致或接近時就會產(chǎn)生較大振動。同時，汽蝕過程中空泡破滅會產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。另外，汽蝕對過流部件也有很大的破壞作用，其中對于葉輪的破壞最嚴(yán)重，其他如葉輪口環(huán)間隙處會產(chǎn)生間隙汽蝕破壞，甚至導(dǎo)葉處有時也能發(fā)現(xiàn)汽蝕的破壞。這種破壞大大的縮短噴泉瀑布離心泵的大修周期和使用壽命，嚴(yán)重時會產(chǎn)生葉片斷裂或外殼穿孔等重大事故。因此，如何提高噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能，解決噴泉瀑布離心泵正常運(yùn)行的難題，在設(shè)計時顯得十分重要。

二、噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕的理論關(guān)系

在景觀工程應(yīng)用中，改善汽蝕性能的主要方法是發(fā)展耐汽蝕材料和研究高抗汽蝕的葉輪，而應(yīng)用耐汽蝕材料只是防止葉輪本身受到汽蝕破壞，汽蝕現(xiàn)象仍然在葉輪內(nèi)部的流動中發(fā)生，也就是說對于噴泉瀑布離心泵本身的運(yùn)行可靠性并沒有得到有效改善。因此，從離心葉輪機(jī)械內(nèi)流理論出發(fā)，深入研究汽蝕機(jī)理，將其應(yīng)用于高抗汽蝕葉輪的研制和開發(fā)中，對葉輪進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，才是提高汽蝕性能最有前途的發(fā)展方向。根據(jù)噴泉瀑布離心泵汽蝕理論，噴泉瀑布離心泵是否發(fā)生汽蝕受到泵本身和吸入裝置兩個方面的影響，具體表現(xiàn)就是泵汽蝕余量NPSHr和裝置汽蝕余量NPSHa二者的關(guān)系。其中NPSHr表示泵不發(fā)生汽蝕，要求在泵進(jìn)口處單位重量液體具有超過汽化壓力水頭的富余能量，NPSHa表示泵進(jìn)口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力水頭凈剩的值。

1.當(dāng)NPSHa=NPSHr時，噴泉瀑布離心泵開始發(fā)生汽蝕；

2.當(dāng)NPSHa

3.當(dāng)NPSHa>NPSHr時，噴泉瀑布離心泵不汽蝕。

由于噴泉瀑布離心泵發(fā)生汽蝕的臨界點(diǎn)就是NPSHr=NPSHa，要使噴泉瀑布離心泵不發(fā)生汽蝕，必須增大NPSHa和減小NPSHr。對于NPSHa是泵在使用中存在的問題，在設(shè)計過程中不與考慮，因此，為了使噴泉瀑布離心泵安全高效地運(yùn)行，避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提高泵汽蝕余量NPSHr就變得由為重要。根據(jù)泵汽蝕余量的基本公式

式中： υ0——葉片進(jìn)口稍前的絕對速度；

w0——葉片進(jìn)口稍前的相對速度；

g——重力加速度；

λ——葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。用葉片進(jìn)口稍前的相對速度比值來表示

三、改善噴泉瀑布離心泵葉輪結(jié)構(gòu)提高汽蝕性能的措施

由汽蝕的理論公式可知，要減小NPSHr，必須通過減小υ0、w0、λ來實(shí)現(xiàn)。而這三者都與葉輪的結(jié)構(gòu)形狀有著密切的關(guān)系，葉輪性能的好壞直接影響水泵整體運(yùn)行性能，因此，采用合理的葉輪結(jié)構(gòu)和形狀，對提高葉輪自身的抗汽蝕性能具有特別重要的意義。

1.在傳統(tǒng)的汽蝕理論中，通過葉輪的優(yōu)化設(shè)計來提高噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能主要有以下幾個方面：

（1）適當(dāng)增大葉輪進(jìn)口直徑Dj；

（2）增加葉輪葉片進(jìn)口寬度bl；

（3）適當(dāng)增加葉輪蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑；

（4）使葉片進(jìn)口邊適當(dāng)?shù)那吧觳A斜；

（5）增大葉片進(jìn)口角β1和采用正沖角；

（6）減薄葉片進(jìn)口厚度；

（7）在葉輪吸入口前加裝誘導(dǎo)輪；

（8）超汽蝕泵。

2.近年來，又出現(xiàn)了一些新的研究成果，主要有：

（1）采用長短葉片形式的葉輪

常規(guī)噴泉瀑布離心泵的葉輪葉片數(shù)一般為6～7片，葉片出口邊節(jié)距較大，葉柵稠密度偏小，出水邊處葉片對水流的導(dǎo)流作用減弱，使水流偏離葉片出水邊工作面而產(chǎn)生汽蝕。由于這些原因，提出了采用長短葉片形式的葉輪來改善噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能。其原則為：在不致造成葉片間的流道阻塞，保持良好的導(dǎo)流性能前提下，利用長短葉片的形式適當(dāng)增大該出口部位的葉柵稠密度。短葉片的位置根據(jù)流線—流面優(yōu)化導(dǎo)流特性決定，并非一定在兩個長葉片的中間位置。由于增加了短葉片，出口部位的節(jié)距減小為原來的一半，葉柵稠密度相應(yīng)增大，葉片對水流的導(dǎo)流能力明顯提高，避免了出口液流偏離葉片的現(xiàn)象；同時葉片出口部位單位面積上的負(fù)載大為減輕。因此使葉輪的汽蝕性能得到有效改善，而水力效率和性能不受到影響。

（2）葉輪出口寬度適當(dāng)增加

在葉輪的設(shè)計過程中，葉輪出口寬度增加會導(dǎo)致流量增大。如果在計算中控制其它參數(shù)，使流量限制在設(shè)計要求中，則適當(dāng)增大葉輪出口寬度可使流道中的流速相對減小，提高泵的汽蝕性能。

（3）采用適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)量

從流動機(jī)理分析可知，流道內(nèi)的流動速度過大是造成汽蝕的一個主要原因，為減小葉輪內(nèi)的相對流動速度，就必須加大葉片角，而葉片角加大后，必然使每個葉片上的載荷加大。為保證葉片作功符合需要，就必須適當(dāng)減少葉片數(shù)。但過分的減少葉片數(shù)，會造成流道內(nèi)分層效應(yīng)，使葉輪出口流場畸變，影響葉輪與蝸殼中的流動效率。因此，葉片數(shù)有個最佳值，經(jīng)過計算通常為5～6片。采用恰當(dāng)?shù)娜~片數(shù)可以降低流道內(nèi)的流速，有利于汽蝕性能的改善。

四、利用CFD技術(shù)提高噴泉瀑布離心泵葉輪汽蝕性能研究

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD（計算流體動力學(xué)）取得長足進(jìn)步，相關(guān)的CFD軟件也趨于成熟，數(shù)值求解噴泉瀑布離心泵內(nèi)部流場已成為水力設(shè)計的重要工具。進(jìn)入90年代后，因?yàn)镃FD分析計算結(jié)果可靠性、精確性和對大規(guī)模復(fù)雜流動的適應(yīng)性以及使用上的方便性有了很大的提高，特別是一些應(yīng)用范圍廣、計算能力強(qiáng)、收斂速度快、計算結(jié)果可靠并具有良好前后處理界面的軟件達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平，被工業(yè)界廣泛認(rèn)同。在國內(nèi)外很多文獻(xiàn)中，已有將CFD技術(shù)與提高水輪機(jī)抗汽蝕性相結(jié)合的研究，但將CFD技術(shù)與高抗汽蝕性能噴泉瀑布離心泵的研究結(jié)合在一起還不多見。

噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流動情況十分復(fù)雜，采用常規(guī)的試驗(yàn)方法來提高其汽蝕性能具有設(shè)計周期長，費(fèi)用高等弊端，成為高抗汽蝕性能噴泉瀑布離心泵發(fā)展的嚴(yán)重障礙。近年來，由于CFD在噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流場計算方面取得的重要應(yīng)用，使CFD技術(shù)在提高葉輪汽蝕性能分析研究中成為一個強(qiáng)有力的工具。

由于CFD軟件具有上述特點(diǎn)，可以用其計算葉輪內(nèi)部汽蝕工況的流動參數(shù)，采用三元粘性數(shù)值模擬方法研究噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部的流動規(guī)律。通常是基于N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型加壁面函數(shù)法，對N-S方程組做平均化處理來計算葉輪內(nèi)部的速度場、矢量場和壓力場，并進(jìn)行數(shù)值效率計算對性能進(jìn)行預(yù)估。

根據(jù)計算結(jié)果分析噴泉瀑布離心泵葉輪內(nèi)部流場分布規(guī)律，同時將所得數(shù)據(jù)與汽蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，找出汽蝕與葉輪幾何形狀的關(guān)系，建立一個能夠在實(shí)際的設(shè)計中應(yīng)用的模型。這一模型的建立將能有效改善葉輪的汽蝕性能，也能取代繁重的模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作，同時也可以縮短高抗汽蝕性能葉輪的設(shè)計時間，提高經(jīng)濟(jì)效益，是高抗汽蝕噴泉瀑布離心泵優(yōu)化設(shè)計的一個新的發(fā)展方向。

五、結(jié) 論

綜上所述，改善和提高噴泉瀑布離心泵汽蝕性能的方法有很多種，但通常情況下基于經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)方法不能同時采用，在葉輪設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)倪x擇。同時，也要考慮噴泉瀑布離心泵的不同性能特點(diǎn)，使之符合工作環(huán)境條件的要求，讓其在高效點(diǎn)可靠工作。這樣，就可以從根本上改善噴泉瀑布離心泵的汽蝕性能。而將近年來快速發(fā)展的CFD技術(shù)與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相結(jié)合，把汽蝕過程模型化，將成果應(yīng)用在噴泉瀑布離心泵的優(yōu)化設(shè)計中，必將成為今后噴泉瀑布離心泵抗汽蝕性能研究熱點(diǎn)。

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