誘導輪葉片泵入口回流抑制及對性能的影響
2021-08-16 14:11:22力士霸泵業
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摘 要：為了提高葉片泵抗汽蝕性能，降低相對流速，一般采用加大葉輪入口直徑設計，這樣也提高了汽蝕比轉數（Nss）和入口回流系數（SRF），當入口回流系數達到一定數值時，會導致高吸入能量泵的葉片損壞，同時也降低葉片泵在部分流量下工作的性能。對某高性能誘導輪葉片泵入口回流進行了數值模擬研究，提出了入口回流抑制方法并做出優化設計，提升葉片泵在部分流量工作時的性能。
關鍵詞：葉片泵；汽蝕性能；入口回流系數；回流穩定器
引言
抗汽蝕性能是葉片泵性能的一個重要方面，決定了泵的工作穩定性和工作區間。為了提高葉片泵的抗汽蝕性能，一般采用雙吸入口葉輪或者加大葉輪入口設計方法，主要目的是降低葉輪入口處的相對流速，減少低壓區，從而提高汽蝕性能，而加大葉輪入口設計又可能帶來一些其它弊端。
例如：提高了葉片入口外緣的圓周速度，當泵在部分流量下（低于最高效率點流量）運行時，會導致葉輪入口區域的流體與葉片分離并形成循環渦流，這便是入口回流。文獻[1] [2] [3]研究表明，對于高轉速高能量密度泵，這些渦流會在葉輪上產生很大的力，同時引起振動或損壞。
葉片泵入口回流及回流穩定器結構
表征入口回流強度的特征值定義為SRF（Suction Recirculation Factor），其計算公式是：
其中：
Nss為葉片泵汽蝕比轉數（gpm, rpm, ft）
U1為葉片入口圓周速度，單位（ft/s）
S.G.為介質比重
以上表明：對于高吸入能量泵，也就是高汽蝕比轉數，大流量高轉速，高介質密度會增加入口回流系數（SRF），入口回流引起泵振動或損壞的可能性更大。文獻[1]給出了具體數值區間。
在葉片泵吸入端增加入口回流穩定器可以減少葉片入口回流、減輕紊亂渦流，捋順葉片入口流線，抑制回流。從而起到既提高泵抗汽蝕性能，又提高泵工作強度穩定性，延長泵的無故障工作時間（MTBF）。
圖1示出了回流穩定器結構，在葉輪前部外徑外側設置回流通道，將葉輪入口外側回流導回入口遠端。序號1為回流穩定器，序號2為離心輪前的誘導輪。
分析模型
以某型高速泵為研究目標，轉速為8810 rpm，額定流量為45 kg/s（常溫水）。通過數值計算模擬回流穩定器對葉片入口回流的抑制作用、對流動的捋順作用，對比給出增加回流穩定器前后以及回流結構優化前后的誘導輪效率計算值、揚程計算值、回流量計算值，給出汽蝕初生時的汽泡分布狀態。
設計3種結構模型，模型（a）不設置入口回流穩定器，模型（b）設置入口回流穩定器，模型（c）設置入口回流穩定器，將誘導輪前伸，前緣圓弧段伸入到回流穩定器中。
給定計算邊界條件為：入口總壓67 kPa，每種模型出口流量以額定流量的100%，60%，30%分別計算。
計算結果及分析
1.效率、揚程、回流量對比分析
從以上計算數據可以得出：
有回流穩定器的模型，隨著泵流量的減小，通過回流穩定器側壁的流量增加，穩定了入口流量。回流穩定器對入口回流導流有效。優化設計后，將誘導輪前緣圓弧段伸入到回流穩定器中，提升了泵在部分流量工作時的誘導輪揚程和效率。
2.流線圖對比分析
圖中流場入口均在左側，從以上流線圖中可以得出：
沒有加回流穩定器的模型（a）在100%額定流量時入口側壁產生了回流區，在60%額定流量時，回流區擴大，在30%額定流量時，回流區充滿入口管道，擠占了葉片入口來流。
設置入口回流穩定器（原設計）模型（b）在全部30%-100%流量范圍內葉輪入口均為平行來流，回流均通過回流通道流動，改善了葉片入口流場分布。但是在葉輪遠端，在部分流量時，回流會擠占入口流道，但這對葉輪入口附近了流場影響不大。
在部分流量時，模型（b）在回流通道內靠近葉輪側產生渦流，將誘導輪前緣圓弧段伸入到回流穩定器中后，渦流消失，但此渦流對葉輪入口的流場影響不大。
3.汽蝕初生時的汽泡分布狀態對比分析
從以上汽蝕汽泡的分布圖可以得出結論：
增加回流穩定器明顯減少了汽蝕初生時汽泡分布區域，顯著改善了葉片泵的汽蝕性能，特別體現在30%流量時。
將誘導輪前緣圓弧段伸入到回流穩定器中，在30%流量時的汽泡分布區域對比模型（b），汽泡區域有所減少，略微改善了小流量時的汽蝕性能。
結論
葉片泵入口加回流穩定器有效改善了葉片入口區域的流動狀態，抑制了回流分布區域，減輕了入口渦流，顯著改善了葉片泵在部分流量下的汽蝕性能，對部分流量下的泵揚程和效率有所提升，將誘導輪前緣圓弧段伸入到回流穩定器中后，取得更略微優化的效果。這些效果對于加大葉輪入口設計方案的高吸入能量泵很有益，會減輕振動或損壞，建議高吸入比轉數葉片泵前加回流穩定器。
作者：于海力 林楨 吳玉珍，北京航天動力研究所
參考文獻
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