文/劉航泊 王輝 程蕾 楊軍虎

對(duì)離心泵進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)分析——離心泵作為化工行業(yè)的重要設(shè)備，在其運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生汽蝕，葉輪會(huì)受到破壞，嚴(yán)重影響其性能。針對(duì)用戶無(wú)法提供過(guò)高 NPSHa 的難點(diǎn)，通過(guò)改變?nèi)~輪進(jìn)口直徑、葉片進(jìn)口邊位置、葉輪蓋板曲率半徑及加誘導(dǎo)輪等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出高抗汽蝕性能的單級(jí)雙吸離心泵。通過(guò)數(shù)值仿真模擬進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，離心泵性能滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，離心泵的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已廣泛應(yīng)用于航空航天、核電站、城市供水、石油化工和船舶等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，汽蝕問(wèn)題一直是離心泵領(lǐng)域的重大難題之一，汽蝕的發(fā)生會(huì)引起離心泵性能的下降、過(guò)流部件破壞、振動(dòng)和噪聲等一系列問(wèn)題，不僅限制了離心泵的高效運(yùn)行范圍和小型化的實(shí)現(xiàn)，還影響了離心泵的安全穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。本文以某氨基酸制造公司MET項(xiàng)目鋯材循環(huán)泵為研究對(duì)象，圍繞離心泵的抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并借助Pumplinx仿真模擬軟件對(duì)該泵的水力設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件的要求，該循環(huán)泵參數(shù)見(jiàn)表1，輸送介質(zhì)為水（58 %）、碳銨（4 %）及有機(jī)物（38%）的混合液。

表 1 循環(huán)泵設(shè)計(jì)參數(shù)

按 SH / T 3139和 SH / T 3140規(guī)定，臥式泵在額定點(diǎn)的必須汽蝕余量 NPSHr 應(yīng)至少比裝置汽蝕余量 NPSHa 小 0.6 m。依據(jù)該規(guī)定，滿足汽蝕性能的臨界汽蝕余量NPSH 為 1.8 m。何希杰根據(jù) GB / T 13006-91規(guī)定的臨界汽蝕余量指標(biāo)曲線， 通過(guò)回顧分析法，得到雙吸泵臨界汽蝕余量的計(jì)算公式：

式（1）中ns為離心泵比轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（1）計(jì)算得到該泵的臨界汽蝕余量 NPSH 為 3.73 m，而實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程要求臨界汽蝕余量 NPSH為 1.8 m，較國(guó)標(biāo)推薦值更小。用戶要求將該泵設(shè)計(jì)為雙吸泵，雙吸泵汽蝕比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

根據(jù)式（2）計(jì)算得到該泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速 C 為 1 663.25。C 值的大致范圍如下：

抗 汽 蝕 性 能 高 的 泵C=1 000～1 600；

兼 顧 效 率 與 抗 汽 蝕 性 能的 泵 C=800 ～ 1 000 ；

抗汽蝕性能不做要求主要考慮提高效率的泵 C=600～800 。

C值越大，離心泵抗汽蝕性能越好，因此，該泵設(shè)計(jì)要求的抗汽蝕性能很高，因用戶無(wú)法提供更高的裝置汽蝕余量 NPSHa，必須通過(guò)葉輪水力優(yōu)化來(lái)降低泵的必需汽蝕余量 NPSHr。

葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽蝕理論

在離心泵汽蝕問(wèn)題的研究中，“飽和蒸汽壓力假說(shuō)”已成為默認(rèn)的離心泵汽蝕機(jī)理，即：當(dāng)液體在流動(dòng)過(guò)程中的局部壓力低于工作溫度下液體汽化壓力，液體就會(huì)發(fā)生汽化，產(chǎn)生大量氣泡。同時(shí)，原溶解于液體中的部分氣體也會(huì)因壓力的下降而逸出，這些氣泡隨液體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至高壓區(qū)，氣泡受壓潰滅，對(duì)過(guò)流部件產(chǎn)生一定的破壞作用。這種從氣泡形成、生長(zhǎng)至潰滅及對(duì)材料產(chǎn)生破壞等一系列過(guò)程稱為汽蝕。通過(guò)離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使液體流至葉輪進(jìn)口壓力最低處時(shí)，仍具有高于工作溫度下液體汽化壓力的富裕能量。

離心泵優(yōu)化方案

泵必需汽蝕余量：

式中：

V0—葉片進(jìn)口稍前的絕對(duì)速度；

W0—葉片進(jìn)口稍前的相對(duì)速度；

λ—葉片進(jìn)口壓降系數(shù)；

提高泵本身的抗汽蝕性能，必須通過(guò)減小V0、W0、λ來(lái)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化過(guò)程即通過(guò)葉輪水力參數(shù)的特殊設(shè)計(jì)以達(dá)到減小V0、W0、λ的目的。

本次設(shè)計(jì)要求采用雙吸葉輪，但汽蝕性能依舊難以滿足，故在優(yōu)化葉輪水力的前提下增設(shè)誘導(dǎo)輪，誘導(dǎo)輪本身具有較好的抗汽蝕性能，其次誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程減小泵的必需汽蝕余量，提高泵的抗汽蝕性能。

在出廠試驗(yàn)中，最常用的標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)水力標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（Hydraulic Institute Standards）指定的，即以揚(yáng)程下降 3 %時(shí)的裝置汽蝕余量為當(dāng)前流量點(diǎn)的泵汽蝕余量。本次設(shè)計(jì)過(guò)程按此標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)揚(yáng)程的下降量來(lái)確定泵汽蝕余量，則：

式中：Pin—葉輪進(jìn)口壓力；

Pv—介質(zhì)汽化壓力

Vin—葉輪進(jìn)口流速

采用三維軟件對(duì)雙吸泵水體進(jìn)行三維造型，包括半螺旋形吸水室、轉(zhuǎn)子部分及壓水室，模型如圖 1 所示。對(duì)該水體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用 PumpLinx 軟件內(nèi)置的基于二叉樹(shù)算法的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)(也稱為CAB 算法)劃分網(wǎng)格，并對(duì)各個(gè)交互面進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終劃分網(wǎng)格單元數(shù)為2 782 141， 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 為 984 124，如圖2 所示。設(shè)置入口面屬性inlet，壓力 0.101325 MPa；出口面屬性 outlet，流量0.194 m3/s；葉輪及誘導(dǎo)輪為旋轉(zhuǎn)部件 rotor；轉(zhuǎn)速 1 450 r/min。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型及 PumpLinx 內(nèi)置全空化模型進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)速度首先采用一階格式，待收斂后，將其換為二階迎風(fēng)模式，以提高計(jì)算的穩(wěn)定性。根據(jù)分析結(jié)果，殘差值設(shè)置為 1e-4，滿足收斂要求。

原始設(shè)計(jì)方案

對(duì)原始設(shè)計(jì)葉輪進(jìn)行建模分析，以 30 ℃水為工作介質(zhì)，其汽 化 壓 力 Pv= 3 610 MPa， 進(jìn) 口流 速Vin= Q/A = 2.75 m/s， 設(shè)NPSHr = NPSHa = 1.8 m，計(jì)算得出此時(shí)進(jìn)口壓力Pin= 17 469 MPa，以進(jìn)口為常壓為起始點(diǎn)，逐步降低進(jìn)口壓力，監(jiān)測(cè)揚(yáng)程的下降量，確定泵汽蝕余量，模擬結(jié)果如表 2所示，當(dāng)進(jìn)口壓力為 0.06 MPa 時(shí)，揚(yáng)程下降3.3 %，NPSHa = 6.1 m，泵發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，無(wú)法滿足要求。

優(yōu)化方案

優(yōu)化目標(biāo)即為降低葉輪進(jìn)口流速，提高介質(zhì)在葉輪進(jìn)口處壓力，本次采用以下幾種措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1） 加大吸入室進(jìn)口直徑

表 2 原始方案模擬結(jié)果

圖 1 水 體 三 維 模 型

圖 2 水 體 網(wǎng) 格 劃 分

適當(dāng)?shù)脑龃笪胧疫M(jìn)口直徑，以減小葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度。在減小絕對(duì)速度的同時(shí)，增大了圓周分速度，進(jìn)而導(dǎo)致相對(duì)速度加大。在流量恒定的情況下，葉輪進(jìn)口處的液流的絕對(duì)速度和相對(duì)速度都是吸入管徑的函數(shù)。因此， 對(duì)于提高泵的抗汽蝕性能，葉輪進(jìn)口直徑存在一個(gè)最佳值。當(dāng)葉輪直徑的取值超過(guò)最佳值之后，隨著進(jìn)口直徑的增大，在進(jìn)口部分易形成停滯區(qū)和漩渦， 反而使泵的抗汽蝕性能逐漸惡化。

（2） 加大葉輪蓋板半徑

液體在流經(jīng)泵吸入口至葉輪進(jìn)口處時(shí)，由于流道收縮，液流流速增加， 從而產(chǎn)生一定的壓力損失。同時(shí)，由于在此過(guò)程中流體流動(dòng)的方向由軸向變?yōu)閺较颍蜣D(zhuǎn)彎處流場(chǎng)不均勻也會(huì)產(chǎn)生一部分壓力損失?？梢?jiàn)葉輪前蓋板曲率半徑的大小直接影響著壓力損失的大小，進(jìn)而影響著離心泵的汽蝕特性。適當(dāng)減小前蓋板的曲率，即增大前蓋板半徑，可減小轉(zhuǎn)彎處離心泵的影響， 使流速均勻。

（3） 減小葉片進(jìn)口厚度

葉片的排擠作用使得進(jìn)口處流速增加而產(chǎn)生壓力損失。選擇較小的葉片進(jìn)口厚度，可以減少葉片對(duì)液流的沖擊，增大葉片進(jìn)口處的過(guò)流面積，減小葉片的排擠，從而降低葉片進(jìn)口的絕對(duì)速度和相對(duì)速度，提高泵的抗汽蝕性能。 受鑄造工藝的影響，低比轉(zhuǎn)速、較小流量的泵，葉片入口往往較厚?？梢允謩?dòng)打磨進(jìn)口葉片工作面，能增加葉片進(jìn)口角，增加葉片間的開(kāi)口面積，Vm1減小，W1減小，從而提高泵的抗汽蝕性能。

圖 3 吸入口直徑增大速度三角形

圖 4 減小葉片進(jìn)口厚度速度三角形

圖 5 仿真壓力云圖

（4） 增大葉片進(jìn)口角

a. 適當(dāng)增大葉片進(jìn)口角，有效減小葉片的彎曲，增大葉片的進(jìn)口過(guò)流面積，減小V1和W1，提高泵抗汽蝕性能。

b. 采用正沖角，安放角大于液流角，液流在葉片背面脫流，背面是葉片間的低壓側(cè)，脫流引起的漩渦不易向高壓側(cè)擴(kuò)散，對(duì)汽蝕的影響較小。

c. 當(dāng)工作流量偏離設(shè)計(jì)流量在大流量區(qū)運(yùn)行時(shí)，葉片進(jìn)口液流角增大， 此時(shí)可以減小由此導(dǎo)致的液流角與安放角不一致在葉片進(jìn)口處產(chǎn)生沖擊損失，同時(shí)可以避免泵在大流量運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)負(fù)沖角。

優(yōu)化方案模擬結(jié)果

通過(guò)以上措施優(yōu)化后模擬結(jié)果如表 3 所示，當(dāng)進(jìn)口壓力Pin= 0.02 MPa 時(shí)，泵 汽蝕余量為 1.7 m，揚(yáng)程僅下降 2.2 %，NPSHa- NPSHr = 0.7 m，滿足工況要求。 表 3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

注：V1—葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度

Vm1—葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度的軸向分速度

U1—葉輪進(jìn)口圓周速度

W1—葉輪進(jìn)口相對(duì)速度

α1—葉輪進(jìn)口絕對(duì)液流角

β1—葉輪進(jìn)口相對(duì)液流角

結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，離心泵汽蝕是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，葉輪水力設(shè)計(jì)對(duì)離心泵性能起決定性作用，加大葉輪進(jìn)口直徑及葉輪蓋板曲率半徑、減小葉片進(jìn)口厚度以及增大葉片進(jìn)口角有助于提高離心泵抗汽蝕性能。此外吸入性能對(duì)其抗汽蝕性能也有所影響，適當(dāng)加大吸入室進(jìn)口直徑也可以降低葉輪進(jìn)口流速，以達(dá)到進(jìn)口升壓的目的。依據(jù)目前離心泵汽蝕理論，提高離心泵抗汽蝕性能的措施就是盡可能降低葉輪進(jìn)口產(chǎn)生的壓降，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致離心泵效率有所降低。