ｌ排灌機械工程學報
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帶誘導輪的離心幫浦空化條件下的效率下降規律
李曉俊，袁壽其，劉威，潘中永
（江蘇大學流體機械ｉ程技術研究中心，江蘇鎮江２１２０ｌ３）
摘要：為定量研究空化對離心幫浦能量轉換過程的影響，從流道內空泡分布和葉片載荷分布兩方
面**了離心幫浦效率下降的規律．基於ｒｎｇ ｋ— 湍流方程和空化模型對帶誘導輪的離心幫浦的空化流動進行了數值模擬，獲得了空化條件下影響離心幫浦效率下降的主要因素，
包括揚程、功率及裝置淨正吸頭等，並重點討論了功率的變化對效率的影響．通過繪製葉片靜壓分布曲線分析離心幫浦效率及功率的變化趨勢．結果表明：空化對葉片進１：７和葉片吸力面的壓力影響很大；空化發展的過程中，功率的變化可分為３個過程，即功率下降段、功率上公升段及迅速下降段；由於功率的下降沒有揚程下降劇烈，幫浦總效率呈下降趨勢；根據靜壓分布曲線及空泡分布圖可以發現，葉片靠近後蓋板的區域比靠近前蓋板區域的空化嚴重，這也是葉片上不同位置處載荷
差異的原因．
關鍵詞：離心幫浦；空化特性；效率；葉片載荷；數值模擬中圖分類號文獻標誌碼：ａ文章編號
收稿日期
**專案：圈家自然科學**資助專案江蘇省自然科學**創新學者攀登項同
作者簡介：李曉俊（１９８７一），男，安徽串陽人，博士研究生主要從事離心幫浦空化效能研究．
袁壽其（１９６３一），男，上海金山人，研究員，博士生導師主要從事排灌機械及流體機械研究
空化是離心幫浦在設計和執行中必須考慮的一種物理現象，其本質是氣液兩相流動，氣泡和液體之間
動能耗散率取值可參考文獻［７］，設定進口氣體的體積分數為０．對於無空化流動，參考試驗揚程值，設定出口總壓．進行空化計算時，逐步改變出口壓力，以控制空化的發生和發展．葉輪形成的壁面定
發生複雜的動量和能量交換 ．就目前研究而言，空化效能試驗是了解離心幫浦執行狀況最直接、最可靠的方法
，然而南於空化流動現象本身的複雜
性，目前的試驗研究仍存在很多困難，作為試驗的補充，通過數值計算既可得到離心幫浦的區域性流動狀態，義為旋轉邊界，其轉速為葉輪轉速；其他壁面定義為無滑移邊界．近壁區採用標準壁面函式，並設壁面粗糙度為為簡化空化計算，以２５℃的清也可以比較準確地**其總體特性ｊ．
文中以帶前置誘導輪的離心幫浦為研究物件，通
過數值模擬和試驗，研究空化條件下誘導輪離心幫浦的葉片載荷變化過程，並結合揚程和功率的關係，分析離心幫浦的效率變化規律．
１ 數值計算
１．１計算模型及網格劃分
離心幫浦葉輪幾何尺寸及設計工況引數分別為誘導輪輪緣直徑葉片數ｚ ＝２，進口輪轂比ｒ＝０．２５，輪緣包角ｏ／＝２６５。；主葉輪出口直徑葉片數ｚ，＝６；設計流量設計揚程ｈ＝８４．５ｍ，幫浦淨正吸頭轉速
網格生成在ｉｃｅｍ中完成，採用非結構化網格，並進行無關性檢查，設定整個計算域的網
格數為ｌ６３８ ３６７，其葉輪網格如圖１所示．
網１葉輪區域網格
１．２控制方程及邊界條件
在旋轉座標系下，對三維不可壓縮湍流流動，建立相應的控制方程 。．湍流方程選取ｒｎｇ七一方
程，空化計算採用方程．對方程離散時，對流項採用二階精度格式，其他項採用中心差
分格式，收斂精度設為１０～．整個計算選用商用軟體
根據流量設定進口速度，進口的湍動能和湍
水為工作介質．
２計算結果與試驗驗證
圖２為額定轉速下離心幫浦模擬值和試驗值的比較結果．可以看出：數值模擬得到的揚程值與試驗值的誤差在３％以內；試驗測得的最佳效率時的流量為而模擬的結果為１２５ ｍ ／ｈ；在整個流
量範圍內，其效率變化趨勢一致，模擬的水力效率和試驗總效率之間的差值不超過１０％．
圖２離心幫浦模擬和試驗效能曲線對比
選取揚程下降３％時的幫浦淨正吸頭作為臨界淨正吸頭，並繪製如圖３所示的（ｎｐｓｈ）一ｑ曲線．通
過數值模擬得到了５個流量下的空化效能，並將模擬值和試驗值相比
較．可以看出，在模擬的流量範圍內，兩者的最大誤差為０．３２ １２１．
同３模擬和試驗的（，ｖｈ）一ｑ對比
日）一ｌ１８７ｌ一
由網２，３可以看ｆｉ｛：在空化和無空化狀態下，數
近，單相流和兩相流模擬結果很相近；偏離設計丁況後，兩種模擬條件下的效率有所不同時，兩相流**的效率較單相效率流低４．６％，而
時兩相流效率低了５％．在偏設計
值模擬的結果與試驗值較為接近，說明所採用的計算方法是正確和可靠的．
３幫浦效率下降分析
圖４為模擬得到的空化和無空化條件下的效率曲線．可以看出：空化會造成效率的下降，裝置淨正吸頭ｎｐｓｈａ越低，效率下降越明顯．
＿１況下，流道內的流動更加複雜，使得湍流模型和空化模型不能滿足該丁況的實際流動條件，叮能是造成效率**出現偏差的原閃．
以空化模型為例，文中選用方程進行計算時沒有考慮相問的能量傳遞，泡半徑及空泡的蒸發和凝結率也都是直接給定的，這些值有可能與實際的流動條件不符 ．另外等認為由於流量變化引起的衝角變化會
影響空泡的形成和發展，導致收斂比較困難，有時也無法獲得精確解．
圖５為不同流量＿ｒ況下離心幫浦的李化特性曲
線．可以看出：離心幫浦的效率下降和揚程、功率及裝置淨正吸頭有關．在裝置淨正吸頭減小的過程巾，離
４空化和無空化條件下的效率**
心幫浦的揚程和功率均朱立即變化，當裝置淨正吸頭減小到…定程度時，才發牛不同程度的變化，而空化條件下功率的下降不如揚程下降劇烈，ｒ大】此出現效
率的下降．
另外，從模擬的結果還可以看出：在設計丁＝況附
ｎｐｓｈａ／ｍ
曲線曲線曲線
５ 不同工況下離心幫浦空化特性曲線
３．１葉片載荷分布
葉片表面載荷是指同一葉片相同半徑處壓力面與吸力面之間的壓力之差，當離心幫浦轉速一定時，可
說明的是，圖中３條低裝置淨正吸頭線上的靜樂值並不是其實際壓力，而是乘以一定的係數換算得到的相對值０ ．南圖６ａ可以看 ：當裝置淨正吸頭降低時，空化出現在葉片背面，靠近後蓋板的進口處壓力略有變化，而丁作面的壓力並未改變，由此造成葉片載荷的降低；當裝置淨正吸頭降低至０．９４ ｍ時，
通過葉片表面載荷分布分析離心幫浦在空化條件下功率的變化．由於誘導輪的功率佔離心幫浦總功率的比例很小，因此僅討論３種流量下 ＝１０８，１２５及１４５ｍ ／ｈ的主葉輪與前後蓋板相交處葉片型線上的靜
壓變化．
空化雖然減小了葉片進口的載荷，但是在整個葉片
區域，葉片載荷有所增加，從而造成離心幫浦功率的增
圖６為不同 ｉ：況下裝置淨正吸變化時葉片的載荷分布，其中：橫座標ｘ／ｘ表示無量綱化的葉片位置，０為葉片入口，１為葉片出１７１；縱座標表示葉片
大．葉片靠近前蓋板的靜壓的變化較後蓋板處小很多，這是因為空化並沒有發展到前蓋板，閃此並未明
顯影響該區域的葉片的靜壓分布．繼續降低裝置淨正吸頭，空化加劇，從葉片上的靜變化可以發現空泡也出現存丁作面上，並影響］ 作面的壓力分布．雖
的靜壓分布．圖中的每條型線均由１二作面和背面上的流線組成，兩條流線的壓差表示葉片的載荷．需要
－１８８ｉ
然空化增大了前蓋板處葉片進口載荷，但總的來說，空化造成整個葉片的載荷降低，並導致功率下降．由圖６ｂ，ｃ可以看出：在大流量或小流量工況下，空化只是影響葉片的背面的壓力分布，尤其是葉片進口
處；僅在空化加劇，葉片背面壓力嚴重改變時，才出現工作面的壓力變化．隨著靜壓分布的變化，葉片載荷也隨之改變，從而導致不同流量不同工況下的功
率均存在較大的差別．
ｘ｜ｘｘ｝ｘｘｆｘ
葉片與後蓋板的交線葉片與後蓋板的交線葉片與後蓋板的交線
ｘ｛ｘｘｌｘｘ｜ｘ
葉片與前蓋板的交線
葉片與前蓋板的交線
葉片與前蓋板的交線
岡６不同ｔ況下裝置淨正吸頭變化時葉片的載荷分布
３．２主葉輪空泡分布是由於受蝸殼的影響，使得葉輪內液體的受壓不對
稱所致．
前蓋板葉片
後蓋板為了解釋葉輪內葉片與前後蓋板交線的壓力分
布的差異情況，文中計算了不同裝置淨正吸頭下葉輪內葉片表面、前蓋板及後蓋板的空泡分布，結果如
岡７所示．
該３**形為設計流量下的３個丁況，分別表示揚程開始下降、前蓋板出現空泡以及空泡在葉輪內完全發展．
由圖７可以看出：隨著裝置淨正吸頭的降低，空泡在葉片表面和蓋板的分布逐漸增加，並沿著葉片背面低壓區向流道內擴充套件；當到達葉片工作面時，空泡對流道造成堵塞，並嚴重影響葉輪內部的能量交換過程，由於誘導輪對主葉輪內的空泡有較好的抑
～製作用，因此在揚程開始下降時，主葉輪內的空化並不嚴重．裝置淨正吸頭繼續降低時，嚴重的空化使誘導輪喪失工作能力，這時空泡在主葉輪內迅速擴充套件，
雖然裝置淨正吸頭僅降低了０．００１１ｔｉ，但空化區迅速擴充套件至前蓋板，並顯著影響前蓋板處葉片的靜壓
分布（如圖７ｂ，ｃ所示）．後蓋板的空化程度遠遠大於前蓋板．由於空化影響葉片的壓力分布，並且空化程度不同，對壓力的影響也不同，因此導致葉片上不同位置處載荷的差異．另外，空泡在葉片表面和前後蓋板的分布呈現明顯的不對稱性，這種不對稱分布
２０———一
４０６０
８０１０ｏ
圖７葉輪內空泡分布
４ 結論
１）空化于擾葉輪內的能量交換，並造成離心幫浦總體效能的變化，其中功率的下降小如揚程下降劇烈，效率呈現降低趨勢．
２）通過葉片載荷分析離心幫浦功率變化時，可將功率變化過程分為３個階段：在空化開始發生時，僅影響葉片背面進口邊的壓力分布，南此造成功率的降低；空化發展到一定程度，葉片載荷增大，並造成離心幫浦功率的上公升；空化加劇後，嚴重影響葉片工作面和背面的靜壓分布，葉片的載荷降低，功率下降．
［５］［４］
一（）ｐｅｎ
ｎｅｓｅ）
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
３）空泡在葉片表面和葉輪內部的分布呈現一定的不對稱性，葉片不同位置的空化程度不同．空化影響了葉片上的壓力分布，並導致不同位置處葉片載荷的差異．
參考文獻
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ｆ】（責任編輯陳建華）
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