畢智高,林祿彬,李史珍
(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.中油國際管道公司中哈天然氣管道項(xiàng)目,北京 100007)
當(dāng)離心泵所輸液體的絕對(duì)壓力降至其所處溫度下的飽和壓力時(shí),液體開始汽化而產(chǎn)生汽泡,氣泡隨液體流動(dòng)至高壓處發(fā)生潰滅,該現(xiàn)象稱為氣蝕,氣蝕是限制離心泵性能提高的主要因素之一。氣蝕余量對(duì)于離心泵的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和使用都是十分重要的氣蝕基本參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)對(duì)氣蝕性能的要求進(jìn)行,若用戶給定了具體使用條件,則泵設(shè)計(jì)的必需氣蝕余量(NPSHr)必須小于按使用條件確定的有效氣蝕余量(NPSHa)[1]。一般以與不發(fā)生氣蝕時(shí)的揚(yáng)程相比下降3%的點(diǎn)為泵氣蝕的臨界點(diǎn)[2-3]。關(guān)于泵氣蝕[4-7]國內(nèi)學(xué)者已有較為廣泛的研究。
隨著葉輪外徑的不斷切割,泵的氣蝕性能越來越差是業(yè)界的共識(shí),然而對(duì)于氣蝕性能變差的原因相關(guān)的研究則相對(duì)少見。對(duì)于大多數(shù)泵企,在新產(chǎn)品出廠前進(jìn)行全直徑葉輪和最小直徑葉輪的氣蝕測(cè)試,并利用線性插值法得出中間各個(gè)直徑下的氣蝕數(shù)據(jù);有時(shí)候僅以全直徑下的氣蝕曲線作為所有直徑下葉輪的氣蝕曲線,顯然這種方法不太合理。
為了獲得切割葉輪所導(dǎo)致泵氣蝕性能變差的原因,通過CFX商業(yè)軟件,利用CFD數(shù)值模擬的方法在額定轉(zhuǎn)速下對(duì)某雙吸離心泵不同葉輪切割直徑下的氣蝕性能進(jìn)行分析。
采用的泵模型見圖1。設(shè)計(jì)工況為流量1 580 m3/h,揚(yáng)程75 m,轉(zhuǎn)速1 780 r/min,比轉(zhuǎn)速為117,最大葉輪直徑430 mm。對(duì)該葉輪進(jìn)行3次切割,分別為390、370和350 mm。
由于雙吸泵結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取進(jìn)口吸入管段、葉輪旋轉(zhuǎn)域、蝸殼流道和出口直管段的一半流場為4個(gè)計(jì)算域。采用ICEM軟件,利用自適應(yīng)較好且工程中應(yīng)用廣泛的四面體網(wǎng)格劃分計(jì)算域,網(wǎng)格數(shù)量依次為100萬、200萬、200萬和50萬,見圖2。
b 蝸殼、吸入室水體網(wǎng)格圖2 計(jì)算域網(wǎng)格
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,進(jìn)口設(shè)為總壓邊界條件,出口為流量出口邊界條件,通過改變進(jìn)口的靜壓調(diào)節(jié)裝置氣蝕余量。周期面為鏡像對(duì)稱邊界,其他均為光滑壁面。動(dòng)靜交接面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模式??栈P瓦x為Zwart,所輸介質(zhì)為常溫25 ℃的液態(tài)純水和氣態(tài)水蒸氣,水的飽和壓力設(shè)為3 169.6 Pa[8]。
以未發(fā)生氣蝕條件下的揚(yáng)程下降3%作為臨界氣蝕點(diǎn),即該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣蝕余量為必需氣蝕余量NPSHr。調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力值[9],依次計(jì)算作出4組葉輪直徑下的NPSHr-Head氣蝕曲線,見圖3。
NPSHr/m圖3 不同切割直徑下葉輪的氣蝕曲線
由圖3可知,隨著葉輪直徑的切割,揚(yáng)程逐漸降低,因此用以判別NPSHr的揚(yáng)程下降量較全直徑葉輪也逐漸減少,進(jìn)而可得出NPSHr呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在葉輪全直徑時(shí),揚(yáng)程曲線超過臨界氣蝕點(diǎn)則顯著下降,而對(duì)于切割直徑的葉輪超過氣蝕點(diǎn)后,揚(yáng)程曲線緩慢下降。NPSHr的增幅隨著葉輪的切割越來越大,其趨勢(shì)見圖4。
葉輪直徑切割率/%圖4 NPSHr隨葉輪切割量的變化
由圖4可知,葉輪小于10%的切割量,可以認(rèn)為NPSHr與全直徑的值十分接近。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,NPSHr曲線從全直徑到最小直徑線性差值并不合理,會(huì)導(dǎo)致切割量較小時(shí)的葉輪NPSHr估值過高,而切割量較大時(shí)的NPSHr估值過低。
不同切割直徑下葉輪葉片的靜壓分布云圖見圖5,不同切割直徑下葉輪葉片的空泡分布圖見圖6。
a D=430 mm
b D=390 mm
c D=370 mm
d D=350 mm圖5 靜壓分布圖
a D=430 mm
b D=390 mm
c D=370 mm
d D=350 mm圖6 空泡分布圖
由圖5和圖6可知,對(duì)于相同NPSHa下的不同切割直徑的葉輪,直徑依次減小時(shí)其低壓分布區(qū)域以及氣蝕發(fā)生時(shí)的空泡區(qū)域的分布都非常相似。由此可以判斷,葉輪的切割不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口的流態(tài)變差,進(jìn)而導(dǎo)致氣蝕的惡化。
4組直徑葉輪條件下從泵的進(jìn)口到葉輪的出口靜壓變化情況見圖7。
圖7 泵吸入進(jìn)口到葉輪出口的靜壓變化
由圖7可知,隨著葉輪直徑的減少,泵進(jìn)口法蘭到葉輪吸入口的壓力降變化并不大,因而葉片進(jìn)口處的低壓區(qū)并無顯著區(qū)別。葉輪的切割并不會(huì)使葉輪內(nèi)部的氣蝕程度增加。
綜上可知,葉輪的切割并不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口流態(tài)和氣蝕情況的惡化,在進(jìn)口壓力條件沒發(fā)生變化的情況下,氣蝕發(fā)生的程度保持一致。但是葉輪的切割導(dǎo)致總揚(yáng)程的下降,使得3%的揚(yáng)程下降值對(duì)于小直徑的葉輪偏于嚴(yán)苛,也成為通過氣蝕曲線計(jì)算得出的NPSHr變大的原因。
(1)隨著葉輪的切割,NPSHr呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),低于10%的切割,NPSHr的變化不大,高于10%的切割NPSHr迅速增加;
(2)隨著葉輪的切割,氣蝕曲線超過臨界點(diǎn)并不會(huì)發(fā)生揚(yáng)程陡降的現(xiàn)象,即隨著進(jìn)口壓力的進(jìn)一步降低,揚(yáng)程呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì);
(3)相同進(jìn)口壓力下,葉輪的切割并不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口流態(tài)惡化,也不會(huì)導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象加劇。