喷泉瀑布中离心泵汽蚀性能提高及应用

蔡 彬 张 凯

2南京河西新城区开发建设指挥部）

一、喷泉瀑布离心泵汽蚀及所产生的危害

现在应用于园林喷泉及大型瀑布景观的水泵大多数是采用离心水泵，目的是将水提升到一定的高度沿着水池口落下形成瀑布景观，大流量的喷泉瀑布离心泵需要建立水泵房，通过水泵旋转的机械能转换成水流的动能和势能。喷泉瀑布离心泵在运转过程中，由于叶轮进口处液体局部压力降低而导致其内生成汽泡，在稍后压力升高处汽泡又缩小或消失，出现水力机械所特有的汽蚀现象。当喷泉瀑布离心泵发生汽蚀时，叶轮会遭受汽蚀破坏，影响喷泉瀑布离心泵性能并妨碍其正常运行。首先，喷泉瀑布离心泵汽蚀时叶轮内液体的能量交换受到干扰和破坏，在外特性上表现为流量—扬程曲线﹑流量—轴功率曲线﹑流量—效率曲线下降。严重时会使喷泉瀑布离心泵中的液流中断，不能工作。其次，因为汽蚀过程是非常态的，导致液流产生较大的压力脉动，但压力脉动的频率和相关部件的固有频率一致或接近时就会产生较大振动。同时，汽蚀过程中空泡破灭会产生很大的冲击和噪声。另外，汽蚀对过流部件也有很大的破坏作用，其中对于叶轮的破坏最严重，其他如叶轮口环间隙处会产生间隙汽蚀破坏，甚至导叶处有时也能发现汽蚀的破坏。这种破坏大大的缩短喷泉瀑布离心泵的大修周期和使用寿命，严重时会产生叶片断裂或外壳穿孔等重大事故。因此，如何提高喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能，解决喷泉瀑布离心泵正常运行的难题，在设计时显得十分重要。

二、喷泉瀑布离心泵发生汽蚀的理论关系

在景观工程应用中，改善汽蚀性能的主要方法是发展耐汽蚀材料和研究高抗汽蚀的叶轮，而应用耐汽蚀材料只是防止叶轮本身受到汽蚀破坏，汽蚀现象仍然在叶轮内部的流动中发生，也就是说对于喷泉瀑布离心泵本身的运行可靠性并没有得到有效改善。因此，从离心叶轮机械内流理论出发，深入研究汽蚀机理，将其应用于高抗汽蚀叶轮的研制和开发中，对叶轮进行最优化设计，才是提高汽蚀性能最有前途的发展方向。根据喷泉瀑布离心泵汽蚀理论，喷泉瀑布离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方面的影响，具体表现就是泵汽蚀余量NPSHr和装置汽蚀余量NPSHa二者的关系。其中NPSHr表示泵不发生汽蚀，要求在泵进口处单位重量液体具有超过汽化压力水头的富余能量，NPSHa表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值。

1.当NPSHa=NPSHr时，喷泉瀑布离心泵开始发生汽蚀；

2.当NPSHa

3.当NPSHa>NPSHr时，喷泉瀑布离心泵不汽蚀。

由于喷泉瀑布离心泵发生汽蚀的临界点就是NPSHr=NPSHa，要使喷泉瀑布离心泵不发生汽蚀，必须增大NPSHa和减小NPSHr。对于NPSHa是泵在使用中存在的问题，在设计过程中不与考虑，因此，为了使喷泉瀑布离心泵安全高效地运行，避免汽蚀现象的发生，提高泵汽蚀余量NPSHr就变得由为重要。根据泵汽蚀余量的基本公式

式中： υ0——叶片进口稍前的绝对速度；

w0——叶片进口稍前的相对速度；

g——重力加速度；

λ——叶片进口压降系数。用叶片进口稍前的相对速度比值来表示

三、改善喷泉瀑布离心泵叶轮结构提高汽蚀性能的措施

由汽蚀的理论公式可知，要减小NPSHr，必须通过减小υ0、w0、λ来实现。而这三者都与叶轮的结构形状有着密切的关系，叶轮性能的好坏直接影响水泵整体运行性能，因此，采用合理的叶轮结构和形状，对提高叶轮自身的抗汽蚀性能具有特别重要的意义。

1.在传统的汽蚀理论中，通过叶轮的优化设计来提高喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能主要有以下几个方面：

（1）适当增大叶轮进口直径Dj；

（2）增加叶轮叶片进口宽度bl；

（3）适当增加叶轮盖板进口部分的曲率半径；

（4）使叶片进口边适当的前伸并倾斜；

（5）增大叶片进口角β1和采用正冲角；

（6）减薄叶片进口厚度；

（7）在叶轮吸入口前加装诱导轮；

（8）超汽蚀泵。

2.近年来，又出现了一些新的研究成果，主要有：

（1）采用长短叶片形式的叶轮

常规喷泉瀑布离心泵的叶轮叶片数一般为6～7片，叶片出口边节距较大，叶栅稠密度偏小，出水边处叶片对水流的导流作用减弱，使水流偏离叶片出水边工作面而产生汽蚀。由于这些原因，提出了采用长短叶片形式的叶轮来改善喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能。其原则为：在不致造成叶片间的流道阻塞，保持良好的导流性能前提下，利用长短叶片的形式适当增大该出口部位的叶栅稠密度。短叶片的位置根据流线—流面优化导流特性决定，并非一定在两个长叶片的中间位置。由于增加了短叶片，出口部位的节距减小为原来的一半，叶栅稠密度相应增大，叶片对水流的导流能力明显提高，避免了出口液流偏离叶片的现象；同时叶片出口部位单位面积上的负载大为减轻。因此使叶轮的汽蚀性能得到有效改善，而水力效率和性能不受到影响。

（2）叶轮出口宽度适当增加

在叶轮的设计过程中，叶轮出口宽度增加会导致流量增大。如果在计算中控制其它参数，使流量限制在设计要求中，则适当增大叶轮出口宽度可使流道中的流速相对减小，提高泵的汽蚀性能。

（3）采用适当的叶片数量

从流动机理分析可知，流道内的流动速度过大是造成汽蚀的一个主要原因，为减小叶轮内的相对流动速度，就必须加大叶片角，而叶片角加大后，必然使每个叶片上的载荷加大。为保证叶片作功符合需要，就必须适当减少叶片数。但过分的减少叶片数，会造成流道内分层效应，使叶轮出口流场畸变，影响叶轮与蜗壳中的流动效率。因此，叶片数有个最佳值，经过计算通常为5～6片。采用恰当的叶片数可以降低流道内的流速，有利于汽蚀性能的改善。

四、利用CFD技术提高喷泉瀑布离心泵叶轮汽蚀性能研究

随着计算机技术的快速发展，CFD（计算流体动力学）取得长足进步，相关的CFD软件也趋于成熟，数值求解喷泉瀑布离心泵内部流场已成为水力设计的重要工具。进入90年代后，因为CFD分析计算结果可靠性、精确性和对大规模复杂流动的适应性以及使用上的方便性有了很大的提高，特别是一些应用范围广、计算能力强、收敛速度快、计算结果可靠并具有良好前后处理界面的软件达到了工业应用水平，被工业界广泛认同。在国内外很多文献中，已有将CFD技术与提高水轮机抗汽蚀性相结合的研究，但将CFD技术与高抗汽蚀性能喷泉瀑布离心泵的研究结合在一起还不多见。

喷泉瀑布离心泵叶轮内部流动情况十分复杂，采用常规的试验方法来提高其汽蚀性能具有设计周期长，费用高等弊端，成为高抗汽蚀性能喷泉瀑布离心泵发展的严重障碍。近年来，由于CFD在喷泉瀑布离心泵叶轮内部流场计算方面取得的重要应用，使CFD技术在提高叶轮汽蚀性能分析研究中成为一个强有力的工具。

由于CFD软件具有上述特点，可以用其计算叶轮内部汽蚀工况的流动参数，采用三元粘性数值模拟方法研究喷泉瀑布离心泵叶轮内部的流动规律。通常是基于N-S方程和标准κ-ε模型加壁面函数法，对N-S方程组做平均化处理来计算叶轮内部的速度场、矢量场和压力场，并进行数值效率计算对性能进行预估。

根据计算结果分析喷泉瀑布离心泵叶轮内部流场分布规律，同时将所得数据与汽蚀试验结果进行比较，找出汽蚀与叶轮几何形状的关系，建立一个能够在实际的设计中应用的模型。这一模型的建立将能有效改善叶轮的汽蚀性能，也能取代繁重的模型实验模拟工作，同时也可以缩短高抗汽蚀性能叶轮的设计时间，提高经济效益，是高抗汽蚀喷泉瀑布离心泵优化设计的一个新的发展方向。

五、结 论

综上所述，改善和提高喷泉瀑布离心泵汽蚀性能的方法有很多种，但通常情况下基于经验的传统方法不能同时采用，在叶轮设计中应根据具体的实际情况恰当的选择。同时，也要考虑喷泉瀑布离心泵的不同性能特点，使之符合工作环境条件的要求，让其在高效点可靠工作。这样，就可以从根本上改善喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能。而将近年来快速发展的CFD技术与传统试验方法相结合，把汽蚀过程模型化，将成果应用在喷泉瀑布离心泵的优化设计中，必将成为今后喷泉瀑布离心泵抗汽蚀性能研究热点。

[1]关醒凡.现代泵技术手册.北京：宇航出版社.1995

[2]查森.叶片泵原理及水力设计.北京：机械工业出版社.1998

[3]张克危.流体机械原理.北京：机械工业出版社.2001

[4]朱红耕.泵汽蚀余量及其试验方法浅议.流体机械.1995（1）

[5]何伟等.冷却水循环泵抗汽蚀性能改造.大氨肥.1995（3）

[6]黄以良.提高泵汽蚀性能的设计方法探讨.排灌机械.1998（3）

[7]张成冠.采用长短叶片改善水泵转轮汽蚀和磨损性能的实验研究.水泵技术.1997（6）

[8]刘文涛.如何提高喷泉瀑布离心泵的汽蚀性能.黑龙江八一农恳大学学报.1994（6）

[9]吴仁荣.叶轮的结构形状对喷泉瀑布离心泵汽蚀性能的影响.机电设备.1995（6）

［10］宋海辉,匡和碧.CFD技术在水轮机转轮抗空蚀改造中的应用.中国农村水力水电.2004（10）

［11］张维平,韦彩新,韩凤琴. 用三元粘性数值模拟法探讨水轮机转轮空蚀问题.水力发电.2003（2）

［12］王福军.计算流体动力学分析.北京：清华大学出版社.2004