船用离心泵叶片参数的改变对汽蚀性能影响与分析

摘要：为了研究影响离心泵汽蚀性能的因素，本文以国内常用的65ZX25-32船用泵为研究对象，在叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下，改变叶轮进口流道形状和叶轮进口边形状，运用软件进行数值模拟计算，得到相应的压力分布规律，从而判断出以上两种参数对离心泵汽蚀性能的影响规律。

关键词：船用离心泵；汽蚀；数值模拟

1. 前言

汽蚀问题一直是造船工业，水利工程，航天工业，流体机械等诸多领域极为关心的问题。在离心泵中，汽蚀所产生的后果是人们所熟知的老大难问题，一旦发生汽蚀，性能将明显下降。在开始发生汽蚀时，汽蚀区域较小，对泵的工作没有明显的影响。当汽蚀发展到一定程度时，气泡大量产生，影响液体的正常流动，甚至造成液流间断，振动和噪音加剧，泵的排量、扬程、效率都明显下降。严重的汽蚀可使泵空转而停止输液。因此，通过合理方式优化离心泵结构、减轻汽蚀发展程度意义重大。本文试图通过改变离心泵两种结构参数即：叶轮进口流道形状、叶轮进口边形状来探讨对离心泵抗汽蚀性能的影响。

2. 产生汽蚀的原因

众所周知，当液体压力降至与液体温度相对应的饱和压力时，液体便会沸腾气化，此压力称为该液体在某一温度下所对应的饱和压力。离心泵工作时，由于泵一般安装位置高于吸入池液面和吸入管系存在阻力等原因，泵吸入室压力逐渐降低，进入叶轮后，叶片背部的压力比叶面的压力更低一些，因此，叶轮进口叶片背部的压力最低，如图1上所示的K点处压力最低。

当K点压力降至液体自身温度所对应的饱和压力时，叶片背部进口处的液体便会沸腾汽化成许多小气泡。小气泡随液体沿叶片向外流动时，压力逐渐增大。当小气泡周围压力超过饱和压力时，气泡受压，气泡内蒸汽会突然凝结。小气泡周围的液体会以很高的速度向里运动。在小气泡凝结的瞬间，液体互相撞机，产生很高的局部压力。若气泡

在金属表面上破裂和凝结，则液体质点就像小弹头一样，打击在金属表面上。在压力很大和频率很高的液体质点的连续打击下，金属表面会因疲劳而破坏。发生严重汽蚀的部位就会被液体质点啄蚀成蜂窝状或海绵状孔洞而损坏。

离心泵开始发生汽蚀时，汽蚀区域较小，对泵的正常工作没有明显影响，泵的特性曲线也没有明显的变化。但当汽蚀发展到一定程度时，由于液体中夹杂有很多气泡，叶轮所输送液体的平均密度降低，使泵的排出压力降低，流量减小，并发生振动和噪声，严重时使泵不能排送液体。本文以国内常用的65ZX25-32船用泵为研究对象，该泵的扬程H=44.5m，设计流量qv=200 m3/h，转速n=1475n/min，汽蚀余量NPSHR=1.7m。叶轮的基本几何参数如表1

3. 改变叶轮参数

3.1. 改变叶轮进口流道形状

图1中，PC为吸水池液面压力；PS为泵进口S-S断面处液体压力；vs为泵进口处液体流速；Z1为泵进口离吸入水池液面的垂直高度；hc-s为泵吸入管路的损头。根据伯努利方程，上述参数有以下关系：

事实上，PS不是泵内的最低压力，叶片进口背部K点的压力PK才是泵内的最低压力，因为： ①从泵进口到叶轮进口有摩擦损失和冲击损失；②叶轮转动时，叶面与叶背之间有压差，液体由泵进口流至叶片进口背部时，压力还要降低。

显然，泵进口压力PS与泵内最低压力PK之压头差，与泵进口到叶轮进口流道形状有关。因此预设流道进口处宽度为32mm，叶轮进口流道形状分别设计成渐扩型、平直型、渐缩型流道三维模型如图所示

对所建立的流道模型使用CFD的方法进行模拟计算，三种进口形状流道的压力分布图如图3所示。

对压力分布图和数值计算的结果进行分析，流道进口形状的不同，离心泵内部流道的流场也不同，离心泵进口处的压力有所变化，发生汽蚀的可能性也不一样。在保证流量一定时，流道进口形状的改变，离心泵的其他性能参数将会发生变化，如表2所示。

由压力分布图和表2可知，流道进口形状为渐扩型时，和平直型的进口相比较，离心泵的扬程增加，但是其效率会有一定程度的降低，离心泵压力图也可看出与平直型流道进口相比，压力降低，发生汽蚀的可能性会增加；当流道进口形状为渐缩型时，与平直型进口形状相比较，泵的扬程略微降低，效率也有一定程度降低，但是效率比渐扩型的要高一些，离心泵流道的进口压力和平直型相比有明显下降，抗汽蚀性能大大降低。

3.2. 改变叶片几何形状

在保证叶轮外尺寸基本不变的情况下，采用从叶片工作面向叶片背面的加厚方式，基于同样的蜗壳结构的压出室，以三种不同的厚度变化规律对离心泵叶片进行造型，设计了三种离心泵方案，分析叶片厚度变化规律对离心泵汽蚀性能的影响。方案一、二比方案三在叶片进口边有较大的曲率。方案三采用从叶片进口到最大厚度处的直线过渡设计，方案一、二采用有一定弧度的曲线设计。三种离心泵方案叶片进口边形状如图4所示。

基于流体分析软件FLUENT本文在计算中选择混合物模型；空化模型选用Singhal等人提出的一种完整空化模型[4]。其连续方程和动量方程为：

本文采用无滑移壁面边界条件，以单相定常流动的计算结果作为汽蚀流动的初始流场参数。以提高汽蚀计算的收敛速度和计算稳定性，汽蚀计算初场的空泡体积组份赋为0，以进口压力稳定性来判断是否达到收敛。根据计算结果，残差值设为1e-4满足基本收敛要求。

在设计流量下（qv=200 m3/h），各离心泵方案叶片吸力面空泡相体积分布如图5-7。

图中所标的数字为空泡体积率α（α为1表示完全气相，α为0表示完全液相），其中L.E为叶轮进口，T.E为叶轮出口，SHROUD表示叶轮前盖板，HUB表示叶轮后盖板。从图中可以看出，泵内部发生汽蚀时，气泡相主要分布在叶轮叶片进口前缘附近，从叶轮后盖板到前盖板的气泡相体积分数依次增大，在叶片进口吸力面靠近前盖板处气泡体积分数达到最大，在此区域几乎为完全气相，这也是叶片最容易发生汽蚀的部位，图6的静压分布曲线清晰的反映了这一低压区域，与泵发生汽蚀时叶片破损部位相吻合。从图中可以明显观察到方案一到方案三的气泡体积分数一次增大，静压值依次降低。以上分析表明：方案一到方案三，空化依次加重。

4. 结论

叶轮流道进口形状的改变会影响离心泵叶轮的抗汽蚀性能，每种类型的离心泵都有适合该类型的流道进口形状，当选择合适的流道进口形状时，离心泵叶轮的抗汽蚀性能和离心泵的其他性能参数都达到最优。同时，叶片进口边的形状影响泵的汽蚀性能，分析表明叶片进口边形状越接近流线型，泵的抗汽蚀性能越好。

参考文献

[1]张建华，等.离心泵的叶片进口几何形状对泵泵汽蚀性能的影响[J].西北工业大学学报，2010，26（3）：127-130.

[2]罗先武，等.叶轮进口几何参数对离心泵空化性能的影响[J].清华大学学报：自然科学版，2008，48（5）：836-839.

[3]李颜.基于CFD的船用离心泵叶轮抗汽蚀优化设计[H].大连：大连海事大学，2012.

[4]Singhal A K，Athavale M M，Li H Y，etal.Mathematical basis and validation of the full cavitation model[J].ASME Journal of Fliuds Engineering，2002，124：617-624.

[5]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：任华杰（1987.4-），男，硕士，助理工程师，现从事船舶系统技术研究；E-mail：

孙浩伟（1979.1-），男，本科，核动力工程专业，现从事从事核动力设备监造。