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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

潛沒式液貨泵通常采用一艙一泵的布置方式安裝于液貨船的每個(gè)艙室中，艙室底部有一個(gè)吸入井，泵安裝于吸入井的頂部，因此，泵吸口與吸入井底部之間的距離(簡稱吸口間距)決定了液貨的殘留量。減小吸口間距有助于降低艙室內(nèi)液貨的殘留量；但同時(shí)會(huì)造成泵汽蝕性能惡化，不利于泵的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，實(shí)際吸口間距通常有一個(gè)合理范圍，如何確定這個(gè)范圍是潛沒式貨油泵設(shè)計(jì)與安裝過程中需面臨的重要問題。泵抗汽蝕性能越好對(duì)于降低吸口間距是有利的，有學(xué)者提出用空化數(shù)來描述空化流動(dòng)，指出采用理論方法預(yù)測空化初生和空化消失是非常困難的[1]。用于仿真空化的汽蝕模型被開發(fā)出來，后有學(xué)者采用Rayleigh-Plesset汽蝕模型進(jìn)行離心泵汽蝕性能的CFD仿真計(jì)算研究[2]。該汽蝕模型被應(yīng)用于分析不同型式離心泵的汽蝕性能，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[3-5]，以上研究均以清水介質(zhì)，試驗(yàn)表明，當(dāng)介質(zhì)變?yōu)檎扯却蟮恼秤蜁r(shí)，泵的必須汽蝕余量隨液體粘度增加而升高[6-10]。

在此基礎(chǔ)是對(duì)潛沒式液貨泵吸口間距進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)是探討泵正常工作情況下吸口間距的確定問題，同時(shí)如果輸送介質(zhì)粘度較大，還需考慮介質(zhì)的影響。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 吸口間距定義

潛沒式液貨泵吸口與吸入井的距離見圖1，實(shí)際泵安裝過程中，吸口間距會(huì)各不相同，此距離的變化范圍必須合理，既要滿足最小液貨殘留量的要求，還要滿足泵運(yùn)行不發(fā)生汽蝕的要求。

圖1 吸口間距示意

1.2 模型建立

選用的泵是自主設(shè)計(jì)的潛沒式液貨泵，其設(shè)計(jì)流量Q=300 m3/h，轉(zhuǎn)速n=2 620 r/min，揚(yáng)程H=110 m，必須汽蝕余量NPSHr=5.5 m，比轉(zhuǎn)速ns=81.3?？紤]吸入井后的幾何模型見圖2，初始設(shè)計(jì)吸口間距為30 mm。

圖2 計(jì)算幾何模型

1.3 計(jì)算方法

CFD數(shù)值計(jì)算選取非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行離散，近壁面區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)在150萬左右，滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。利用CFX軟件進(jìn)行定常計(jì)算，選擇SSTk-ω湍流模型，計(jì)算時(shí)設(shè)置入口條件設(shè)置為總壓，出口條件設(shè)為質(zhì)量流量出口，壁面采用無滑移固壁邊界，收斂精度設(shè)為10-5。

選取Rayleigh-Plesset汽蝕模型，介質(zhì)選取25 ℃清水，汽化壓力設(shè)置為3 574 Pa。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 初始吸口間距下泵的性能仿真結(jié)果

初始吸口間距30 mm下仿真計(jì)算的泵性能見表1，計(jì)算揚(yáng)程比設(shè)計(jì)要求高6.8%，效率比設(shè)計(jì)要求高2.5%，額定工況下的性能參數(shù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

表1 額定工況性能對(duì)比表

仿真計(jì)算得到的泵汽蝕余量見圖3，以泵揚(yáng)程下降3%為界[11]，確定泵的臨界汽蝕余量NPSHc為2.70 m。該泵在離心泵閉式試驗(yàn)臺(tái)上測試的臨界汽蝕余量為2.52 m，可以看出，初始吸口間距已對(duì)泵的汽蝕性能產(chǎn)生了影響，使泵的臨界汽蝕余量有所提高，但影響不大，可以忽略不計(jì)。這說明該吸口間距下，液貨殘余量滿足要求，且對(duì)泵的正常運(yùn)行也不會(huì)產(chǎn)生不良影響。

圖3 泵汽蝕余量計(jì)算值

2.2 不同吸口間距對(duì)泵汽蝕性能的影響

圖4 吸口間距與泵臨界汽蝕余量的關(guān)系

以初始吸口間距為參照，分別選取不同間距值并仿真計(jì)算泵的臨界汽蝕余量。仿真得到的吸口間距與泵臨界汽蝕余量的變化見圖4。從圖4可以看出，吸口間距以30 mm左右為臨界值，大于30 mm后泵臨界汽蝕余量基本不變。但隨著吸口間距的減小，泵臨界汽蝕余量值明顯升高，當(dāng)臨界汽蝕余量值升高到比必須汽蝕余量NPSHr高時(shí)，泵在運(yùn)行過程中就會(huì)發(fā)生汽蝕，這種狀態(tài)應(yīng)該避免。將此時(shí)對(duì)應(yīng)的吸口間距稱為極限吸口間距，實(shí)際最小吸口間距應(yīng)在極限吸口間距的基礎(chǔ)上增加一定余量。

相同汽蝕余量(NPSH=3.72 m),不同吸口間距下的潛液泵中面(圖2所示剖面)流場內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)見圖5。

圖5 不同吸口間距下模型中面內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)

從圖5可以看出，隨著吸口間距的降低，流場內(nèi)的氣相分布逐漸增加，圖5a)中僅在入口附近存在氣相，且分布范圍非常窄；圖5b)中氣相的分布范圍有所擴(kuò)展，并有向葉輪出口擴(kuò)展的趨勢，表明此時(shí)泵已處于汽蝕初生狀態(tài)；圖5c)中氣相的分布范圍已很廣，幾乎占據(jù)了葉輪中部的整個(gè)流道，汽蝕現(xiàn)象已經(jīng)非常明顯；圖5d)中氣相分布已占據(jù)整個(gè)葉輪區(qū)域，汽蝕已十分嚴(yán)重，實(shí)際過程中泵此時(shí)已斷流，無法工作。

圖4和圖5的規(guī)律表明，吸口間距存在一個(gè)臨界值，當(dāng)間距大于該值時(shí)，泵臨界汽蝕余量基本不隨間距變化而變化，當(dāng)間距小于該值時(shí)，泵臨界汽蝕余量隨間距的減小而劇烈升高。

2.3 吸口間距范圍確定

根據(jù)圖4確定文中模型泵實(shí)際最小吸口間距為25.0 mm(極限吸口間距上增加一定余量)，即要保證泵正常工作，泵安裝后必須保證吸口間距至少為25.0 mm。當(dāng)吸口間距大于25.0 mm時(shí)，泵均能保證正常工作，不會(huì)有汽蝕風(fēng)險(xiǎn)，但隨著吸口間距增加，泵的臨界汽蝕余量趨于平穩(wěn)；但艙室內(nèi)液貨殘余量會(huì)隨之增加，考慮減少液貨殘余量，實(shí)際上有必要規(guī)定一個(gè)吸口間距的上限值。該上限值與液貨殘余量的標(biāo)準(zhǔn)要求、吸口井的大小、泵的大小等均有關(guān)系，需視具體情況而定。對(duì)于文中的模型泵，規(guī)定其吸口間距上限值為35.0 mm，即該泵在正常安裝過程中，要保證吸口間距在25.0～35.0 mm的范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)的布置見圖6，水池用于模擬實(shí)際艙室環(huán)境，水池邊的塔架用于固定潛沒式貨油泵。整個(gè)水池長20 m，寬15 m，深6 m，塔架高24 m，試驗(yàn)采用原型泵。

圖6 試驗(yàn)裝置示意

3.2 初始吸口間距

泵安裝在試驗(yàn)臺(tái)后調(diào)整吸口間距為30 mm，測量泵的外特性見圖7。

圖7 試驗(yàn)泵的性能

測得泵揚(yáng)程比仿真結(jié)果高，小流量時(shí)偏差大于大流量時(shí)的偏差，額定流量(300 m3/h)之后揚(yáng)程曲線趨勢基本保持一致；試驗(yàn)軸功率高于仿真計(jì)算軸功率，這是由于制造誤差及仿真計(jì)算簡化了實(shí)物模型并忽略了局部損失，軸功率的增加使得試驗(yàn)測試效率低于仿真值。整體來看，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的誤差均屬于正常誤差范圍內(nèi)，仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確預(yù)測泵的性能。

3.3 不同吸口間距的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中調(diào)整吸口間距，分別進(jìn)行泵的揚(yáng)程測量，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，吸口間距分別為30.0 mm和25.0 mm時(shí)，泵的揚(yáng)程曲線基本吻合，試驗(yàn)測試過程中泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，當(dāng)吸口間距調(diào)整到22.5 mm時(shí)，測試泵的揚(yáng)程曲線出現(xiàn)了陡降，這說明泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中已發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，試驗(yàn)過程中泵的振動(dòng)和噪音劇烈增加。

圖8 不同吸口間距下泵的揚(yáng)程

隨著吸口間距的減小，泵入口的阻力增大，壓降升高，到達(dá)葉輪葉片前端時(shí)，如果壓降降低到液體汽化壓力以下，就會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，汽蝕現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展，泵就會(huì)達(dá)到嚴(yán)重汽蝕狀態(tài)，泵的揚(yáng)程出現(xiàn)陡降，振動(dòng)噪音異常，不能正常工作。

4 結(jié)論

1)吸口間距與潛沒式液貨泵的汽蝕性能關(guān)系密切，當(dāng)吸口間距大于臨界值時(shí)，泵汽蝕性能基本不隨間距變化而變化，當(dāng)吸口間距小于臨界值時(shí)，隨著間距的減小泵汽蝕性能會(huì)急劇惡化，直至泵不能正常工作。實(shí)際工程安裝過程中，需保證吸口間距在確定的范圍內(nèi)，才能充分發(fā)揮泵的作用。

2)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性，能夠用于研究吸口間距的確定問題。所選取的研究介質(zhì)為清水，對(duì)于粘度比清水大的介質(zhì)，泵吸口間距會(huì)比清水介質(zhì)的要求更大，具體規(guī)律還有待深入的仿真與試驗(yàn)研究。