進口安角對空化性能的影響研究

進口安角對空化性能的影響研究

0葉片進口放養(yǎng)角對泵空化性能的影響空化在液體機械中很常見，尤其是在泵類中?？栈瘜⒃斐杀眯氏陆怠P程降低,同時引發(fā)泵振動和噪聲。水泵長時間運行在空化條件下,其過流部件可能被嚴重損傷,因此對泵空化性能研究很有必要。本文研究葉片進口安放角如何影響空化性能。β′1=β1+Δβ(1)β1′=β1+Δβ(1)當葉輪水力模型確定后,葉片進口液流角β1是唯一確定的,則研究葉片進口安放角對離心泵性能的影響,即研究葉片進口沖角對泵性能影響。文獻僅對采用正沖角能提高泵抗空蝕性能這一情況進行分析,而深入研究不同安放角對泵空化性能影響的相關(guān)資料很少。本文采用CFD技術(shù)通過添加不同葉片進口沖角,模擬葉片進口安放角對泵性能影響。1葉輪幾何參數(shù)本文選取優(yōu)秀葉輪水力模型DFG150-9進行研究.其性能參數(shù):Q=200m3/h,H=32m,n=1480r/min,ns=94.6,NPSHr=4.5m。葉輪幾何參數(shù):葉輪出口直徑D2=322mm,葉輪出口寬度b2=22mm,葉輪進口直徑Dj=148mm,葉片包角θ=120°,葉片數(shù)Z=6枚,輪轂直徑Dh=70mm,出口安放角β2=25.4°,進口液流角β1b=20.6°,進口沖角Δβ1b=0.6°。葉輪木模圖如圖1。為了全面研究進口安放角對泵性能影響,本文以在原葉片中間流線安放角基礎(chǔ)上,添加正負沖角。沖角添加值如表1。2面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性檢驗該模型泵過流部件分為吸水室、葉輪和蝸殼3部分。采用三維造型軟件Pro/E對泵過流部件計算域進行三維造型。為避免進出口速度梯度較大,影響計算結(jié)果,在吸水室進口和蝸殼出口增加延長段。通過ANASYSICEM采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對泵過流部件進行網(wǎng)格劃分,并對關(guān)鍵部位進行局部加密。對整體區(qū)域進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗,當揚程相關(guān)性低于0.5%,認為網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果無影響。各部分網(wǎng)格數(shù)目如表2所示,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2。3空化模擬及計算ANSYSCFX采用RNGk～ε模型考慮湍流影響,采用均質(zhì)多相模型和Rayleigh-Plesset方程考慮空泡生長和潰滅,進而空化模擬。水在25℃飽和蒸汽壓力為3169Pa,假定空泡平均直徑為2×10-6m。為提高空化計算收斂速度,以未發(fā)生空化單相計算結(jié)果作為空化兩相流動初始值。泵內(nèi)空化產(chǎn)生通過逐步降低泵進口總壓實現(xiàn),質(zhì)量流量出口保證泵運行時流量不變。固壁處采用無滑移,近壁區(qū)采用Scalable壁面函數(shù)。空化計算時,設(shè)定進口空泡體積初始值為0,水的體積值為1。4pvg2s泵空化余量計算公式如下:NPSH=psρg+V2s2g?pvρg(2)ΝΡSΗ=psρg+Vs22g-pvρg(2)式中:pv為水在25℃飽和蒸汽壓力。由于靠近蝸殼隔舌處葉輪流道區(qū)域空化現(xiàn)象更加明顯,有必要說明葉輪與蝸殼相對位置,如圖3。4.1空泡產(chǎn)生的原因圖4為不同條件下,蓋板及葉輪表面空泡分布情況。葉輪各流道內(nèi)空泡呈現(xiàn)不對稱分布,特別是靠近蝸殼隔舌處葉輪流道區(qū)域空泡體積分數(shù)最大,這是由于葉輪與蝸殼耦合作用造成的,特別是靠近隔舌區(qū)域的流體由于受隔舌沖擊,液體之間摩擦加劇,液體溫度增加,飽和蒸汽壓力更大,極易汽化產(chǎn)生空泡。空泡的產(chǎn)生最先出現(xiàn)在葉輪進口靠近前蓋板葉片背面,出現(xiàn)在該位置的原因:該處與進口其他位置相比半徑大,圓周速度大,則此處相對速度也大,相應進口壓力損失和繞流引起壓降增大;加之在該處之前處于流道拐彎內(nèi)壁,由于離心力作用,其液體絕對速度也大,加劇了壓力下降。隨著NPSH減小,即進口總壓減小,空泡沿葉輪徑向由進口逐漸向流道中部擴張,當NPSH=2.3m時,空泡占據(jù)葉輪流道面積50%以上,這時空泡充滿流道,極易造成斷流現(xiàn)象,進而使揚程和效率劇烈下降,產(chǎn)生很大的噪聲和振動。4.2葉流道中心部位圖5為NPSH=2.7m時各模型蓋板及葉輪表面空泡分布情況,可以看出:在相同條件下,隨著沖角由正值減小到負值,空泡在葉輪中逐漸由進口邊向流道中心部位延伸,由模型1到模型2紅色區(qū)域和黃色區(qū)域面積都增大;由模型2到3,紅色區(qū)域一分為二,空泡區(qū)域變窄;由模型3到4,空泡區(qū)域變寬,流道中心部位紅色區(qū)域變小;由模型4到5,由于負沖角非常大,造成葉輪流道對流體排擠嚴重,空泡迅速占領(lǐng)流道約60%面積。此時,空化發(fā)生嚴重,極易造成液體斷流,使泵運行在惡劣條件下。4.3空化造成的不穩(wěn)定區(qū)域由于篇幅原因,本文僅選取模型5發(fā)生空化后的空泡分布圖6(a)、流線分布圖6(b)、壓力分布圖6(c)進行對比分析。由圖6的3幅圖片可以看出,空化使得葉輪流道出現(xiàn)大小不等的低壓區(qū)域[圖6(c)],而該低壓區(qū)域恰好處在空泡出現(xiàn)區(qū)域的后面[圖6(a)],該區(qū)域很可能是空泡到達高壓區(qū)潰滅,而液體質(zhì)點以高速填充空穴,而引起的壓降造成的低壓區(qū)。通過流線圖6(b)可以看出,空泡區(qū)域和低壓區(qū)域均沒有流線通過,說明以上猜測正確。如果該現(xiàn)象加劇,便會出現(xiàn)液體斷流等惡劣現(xiàn)象。其他模型的情況與之類似,不再贅述。4.4流道密度和孔口長度計算方法英學中ue-n由空泡分布(圖7)所示3幅圖可以看出,在相同條件下,隨著流量逐漸增加,空泡在葉輪中逐漸由進口邊向流道中心部位延伸,從0.8Q0至1.0Q0紅色區(qū)域由無到有,占據(jù)流道面積50%,黃色區(qū)域面積逐漸變大,進口充滿空泡;從1.0Q0至1.2Q0,空泡區(qū)域迅速由一個流道擴大到各個流道。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因:流量增加,V1增加,而α1大小由吸水室的形狀決定,該模型吸水室形狀保持不變,因此α1不變;又因為u1只與轉(zhuǎn)速和葉片進口處計算點直徑有關(guān),因此u1不變,Δβ變小。因此與葉片進口沖角由大變小,蓋板及葉輪表面空泡分布變化規(guī)律相似。這也是添加正沖角可以改善泵在大流量條件下工作條件的原因。5沖角對nbshr性能的影響圖8為各模型在設(shè)計工況下H-NPSH曲線進行整理分析得到的NPSHr-Δβ1b曲線。取揚程下降3%時所對應NPSH為泵必需空化余量NPSHr。由圖8可以得出:沖角在-10°～15°范圍內(nèi),隨著葉片進口安放角減小,NPSHr逐漸增加。在正沖角范圍內(nèi),變化較為緩慢,由2.66m變化到2.69m,增加0.03m,這說明沖角在0～15°范圍內(nèi)對泵空化性能的影響不大,這可以解釋一些資料給出沖角范圍供選擇,而非某一固定值;在負沖角范圍內(nèi)NPSHr由2.69變化到2.78m,增加幅度較大,說明添加負沖角會加速泵空化性能的惡化,所以從來沒有資料推薦添加負沖角。6模型2:正沖角對泵空化性能的影響本文選取型號為DFG150-9離心泵葉輪水力模型進行研究,在此模型基礎(chǔ)上,添加不同沖角構(gòu)造5組葉輪模型,對其進行空化模擬,將模擬結(jié)果進行對比,尋求葉片進口安放角與泵空化性能之間的關(guān)系,得出結(jié)論如下。(1)對同一模型,隨著NPSH減小,空泡由葉輪進口逐漸向流道中部擴張;在相同NPSH