基于CFD的离心泵抗汽蚀性能优化

    一、汽蚀现象

    水泵运行时,由于某些原因导致泵内局部位置液体的压力降低到工作温度下的汽化压力,水开始汽化,生成大量的汽泡,当汽泡流入压力较高的部位时,迅速凝结、溃灭。这一过程中涉及许多物理、化学现象,并产生噪音、振动和对过流部件材料的侵蚀作用,这种现象称为水泵的汽蚀现象。

    二、汽蚀产生的危害

    离心泵汽蚀时,由于空泡的高频产生与破灭,对叶片、前后盖板等过流部件表面产生侵蚀,缩短了零部件的使用寿命;空泡破灭时,会产生明显的振动和噪声,带来安全隐患的同时,还恶化了工作环境;汽蚀发生到一定程度后,离心泵的扬程、效率等受到明显影响,严重时将引起断流,使泵无法正常工作。

    三、提高抗汽蚀性能的常见措施

    (1)从泵的相关参数方面考虑,适当加大叶轮入口直径和叶片进口宽度,适当增大叶轮前盖板进口部分的曲率半径,叶片在叶轮入口处适当延伸,选择合适的叶片进口冲角,这些措施都有利于提高泵的抗汽蚀性能。

    (2)从泵的结构方面考虑,在泵的设计中采用双吸式叶轮可使汽蚀系数减小,在对抗汽蚀性能要求很高的泵中,可采用诱导轮来提高抗汽蚀性能。

    (3)从加工及材料方面考虑,可以通过提高加工精度、选用抗汽蚀性能良好的材料、流道表面处理等提高抗汽蚀性能。

     四、基于CFD抗汽蚀性能优化

    基于CFD的抗汽蚀性能优化的过程是:将对象泵型进行三维建模,获得过流部分的水力模型,通过网格划分,利用CFD软件对其运行工况进行模拟,再根据模拟计算结果进行分析,并提出优化改进措施。

    针对某泵型进行汽蚀模拟计算,得到如下图的叶轮壁面空泡分布图。

    从图中可以看出,空泡最早出现在叶轮进口稍后叶片进口边靠近前盖板的吸力面处,同时在相近的前盖板上也有所出现。可见,该泵型汽蚀最早将在该位置产生,需要对叶轮进口条件进行改进。

    上图为叶轮XY对称面速度矢量图,在叶轮单个流道的中间位置出现了漩涡,漩涡的产生将对水泵的性能产生较大影响。因此,需要改善叶轮流道内部的流场分布,减少或避免漩涡的产生。

    根据上述模拟计算结果及分析,对该模型采取增大叶轮进口直径和适当延伸叶轮进口边等措施,有效提高了该泵型的抗汽蚀性能,并通过试验测试达到预期目标。

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