離心泵式葉輪汽蝕損傷試驗研究

離心泵式葉輪汽蝕損傷試驗研究

1空泡損傷的防治隨著小型、高速化和安全運行條件的擴大，社會各界必須解決海水泵氣侵蝕引起的材料破壞、系統(tǒng)振動、性能下降等問題。其中對機械有致命影響的損傷是最為重大的問題,如何正確、定量地預(yù)估空泡引起的損傷、發(fā)展過程是極為迫切的。另外當(dāng)水泵在含砂水中運行時汽蝕還會加劇泥砂對材料的磨損,造成磨蝕。由于泵內(nèi)空泡形態(tài)因運行條件、葉輪幾何形狀、發(fā)生部位而異,對材料的危害程度也不同。雖然近些年許多學(xué)者在水泵的汽蝕損傷機理等方面開展了廣泛的研究,但目前仍然無法對空泡的產(chǎn)生和發(fā)展、汽蝕損傷進行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬,對水泵內(nèi)引起汽蝕損傷的空泡形態(tài),尤其在偏離設(shè)計工況狀態(tài)下也還沒有完全弄清。2水泵空泡形態(tài)觀察圖1是開式水泵汽蝕實驗臺。通過調(diào)節(jié)進口閥的開度來改變進口壓力。水泵轉(zhuǎn)速和軸功率由扭矩儀測量。流量由渦輪流量計測量。本實驗利用高精度壓力傳感器、直流信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換板和微機組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量水泵進出口壓力。測試時水泵轉(zhuǎn)速為3000±2%r/min。試驗用水泵是單級單吸離心泵,葉片數(shù)為5,葉輪外徑為217mm,葉片進口邊與軸心線平行,葉片厚度為4mm。為了觀察葉輪內(nèi)空泡的形態(tài),特將原閉式葉輪的前蓋板切除,并為此制作了如圖2所示的透明有機玻璃吸入蓋。葉片外端與吸入蓋的間隙c為0.8mm。為了進一步弄清葉片外端間隙的影響,將硅膠涂抹在葉片外端成型使葉片外端與吸入蓋的間隙在左右采用涂漆法觀察汽蝕損傷,高頻頻閃燈光觀察空泡形態(tài)。因為小流量工況下汽蝕損傷尤其嚴(yán)重,進口回流的發(fā)生使流態(tài)復(fù)雜,因此本文選擇了進口回流發(fā)生前和發(fā)生后的70%和50%Qd(Qd為額定流量)兩個流量進行實驗。以往,為了確保水泵系統(tǒng)正常供水,在實際的水泵系統(tǒng)設(shè)計中是以3%揚程下降點時的有效汽蝕余量作為必需汽蝕余量的,但在此狀態(tài)下空泡已較多。所以本文的上述試驗是在70%和50%Qd流量的3%揚程下降點工況下進行的。本項目獲教委優(yōu)秀骨干青年教師基金資助。3試驗結(jié)果與分析3.17葉片外端空泡變化引起的損傷間隙c為0.8mm,運行時間t為4小時,葉片表面的損傷情況如圖3(a)、(b)所示。運行時間為12小時,間隙為0.1mm的情況下,吸力面的損傷情況見圖3(c)。根據(jù)試驗中的觀察并參照對應(yīng)的數(shù)碼相片手繪空泡形態(tài)示意圖見圖4。圖中a空泡是緊貼葉片吸力面的層狀空泡,b、c空泡為葉片外端流面上靠近吸力面的白霧狀空泡,d空泡為平衡孔下游的帶狀空泡。b、c空泡的形態(tài)見圖5的數(shù)碼相片。由圖3(a)可以看到葉片A的壓力面頭部附近的油漆剝蝕非常明顯,剝蝕區(qū)域位于距頭部約2cm處。從圖4、圖5(a)可以看到,c空泡為葉片A的旋轉(zhuǎn)方向的前一葉片即葉片B的葉片外端吸力面產(chǎn)生的大量的白霧狀空泡,位于葉片長度方向中部略靠下游的位置。這些白霧狀空泡尾部向葉片A的壓力面延伸,尾部很不穩(wěn)定,其與壓力面的接觸部位與圖3(a)的損傷位置相符,故可以認(rèn)為是葉片B的這些霧狀c空泡尾端破裂造成了葉片A的壓力面頭部附近的損傷。由圖3(b)可以看到吸力面頭部外端略靠后有油漆剝蝕,面積不大,而且在葉輪上有兩個葉片并沒有產(chǎn)生這種損傷,由此可以看出吸力面的損傷沒有壓力面上的嚴(yán)重。由圖4、圖5(b)可以看出,b空泡是葉片B吸力面外端的數(shù)量較多的霧狀空泡。由于這些空泡大多位于流道中,所以只有少量空泡在圖3(b)所示的位置上破裂而引起損傷。從圖4可以看到來自平衡孔的帶狀d空泡與葉片吸力面層狀a空泡尾部混合在一起形成不穩(wěn)定的空泡團,但由于4個小時實驗時間太短,所以圖3(b)中與其對應(yīng)位置上無損傷。盡管圖3(c)是小間隙狀態(tài)下汽蝕損傷的試驗結(jié)果,由于葉片外端間隙對吸力面的層狀a空泡及平衡孔的d空泡的影響很小(后述得到試驗確認(rèn)),所以圖3(c)可近似看作大間隙下16小時運行后葉片吸力面近輪轂側(cè)及輪轂上的損傷情況。由圖3c可以看出,在吸力面距葉片頭部約3cm處和輪轂靠近葉片根部有大面積油漆剝蝕區(qū),這說明吸力面的層狀a空泡所覆蓋的區(qū)域內(nèi)并不造成損傷但層狀空泡尾部呈白霧狀其與來自平衡孔的d空泡尾部相混合形成一個較大的不穩(wěn)定空泡團,這個空泡團在葉片吸力面和葉片根部輪轂處造成圖3(c)所示的損傷。而帶狀d空泡可能是由于平衡孔下游端的局部脫流產(chǎn)生空泡及平衡孔向該空泡提供大量有效空泡核而引起的。a、d空泡發(fā)展到一定長度后其尾端會向下游釋放白霧狀空泡,同時由于與周圍流道存在顯著的速度差,空泡表面剪切層會產(chǎn)生損傷性強的渦狀空泡。因而上述空泡有點類似脫流空泡,有較強的損傷能力。3.25c空泡的形成原因50%Qd流量為進口回流發(fā)生流量。本試驗是通過粘在葉輪進口上游距葉輪進口4cm的吸入管內(nèi)壁上的線條指向變化來判斷進口回流發(fā)生的,即當(dāng)線條從軸向轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)方向45o時就認(rèn)為回流已經(jīng)發(fā)生。在試驗時間為16小時,間隙為0.8mm的情況下,葉輪的損傷情況見圖6。圖7為手繪葉輪內(nèi)空泡分布的示意圖,圖中a空泡為緊貼葉片吸力面的層狀空泡,b空泡為向進口上游延伸的回流空泡,c空泡為葉片外端喉部附近的渦狀空泡,d空泡為平衡孔產(chǎn)生的空泡,另外c空泡形態(tài)見圖8ㄢ由圖6(a)可以看到葉片壓力面緊靠頭部的油漆剝蝕。從圖7和圖8可見c空泡位于葉片A與B形成的喉部流道內(nèi),這是由進口回流引起的喉部軸面漩渦的渦心內(nèi)產(chǎn)生或聚集的渦狀空泡,這種空泡團極不穩(wěn)定,在空泡較多的流道內(nèi)呈團狀,而在空泡較少的流道內(nèi)則呈絲狀,位置也并不固定,在流道內(nèi)喉部附近運動,有時打在葉片B壓力面頭部,與圖6(a)損傷位置相符。從圖7、8可見70%流量時的b、c空泡以及由它引起的圖3(a)、(b)所示的葉片壓力面和吸力面損傷則消失了。由圖6(b)吸力面上的損傷與圖7所示的緊貼吸力面的層狀a空泡的尾端位置相符,由此可以推斷出吸力面上的損傷是由a空泡的尾端破裂造成的。而輪轂上靠近吸力面根部的大面積的油漆剝蝕與70%流量下該位置的損傷類似,它依然是由a空泡尾部與平衡孔發(fā)出的不穩(wěn)定長帶狀d空泡尾部相混合所形成的空泡團造成的,由于該混合后的空泡團不穩(wěn)定,所以造成了較大面積的損傷。圖6(b)所示平衡孔下游呈錐狀指向下游的油漆剝蝕則區(qū)域也是渦狀d空泡造成的。3.3進口回流發(fā)生的影響對回流發(fā)生前的70%流量進行小間隙試驗,圖3(c)及圖9為小間隙下葉輪的損傷情況,圖10為空泡形態(tài)。如圖9所示,壓力面上的油漆剝蝕由葉片頭部開始,長度約2cm,寬度與葉片高度相當(dāng)。從圖10可見由于間隙變小使得原來大間隙條件下的b,c空泡(圖5)不明顯了,因此也就沒有了圖3(a)、(b)所示位置的損傷,這說明了圖5所示的70%Qd流量下b、c空泡是由葉片外端泄漏液流引起的,而圖8所示的50%Qd流量即進口回流發(fā)生流量下圖5所示的b、c空泡消失,這說明進口回流發(fā)生后,葉片外端泄漏液流對吸力面外端空泡的影響減小。文獻通過對開式和閉式離心葉輪進口前翼間速度分布的測試,發(fā)現(xiàn)進口回流發(fā)生后回流引起葉片吸力面進口附近向葉片外端的二次流增強,從而減少了葉片外端泄漏液流對進口流道內(nèi)的流動的影響。本文與文獻有一定的對應(yīng)關(guān)系。從圖10可見小間隙時前一葉片(葉片B)吸力面頭部產(chǎn)生的層狀a空泡則延伸至后一葉片(葉片A)頭部,其尾部造成了圖9的壓力面頭部的損傷,這種損傷位置的前移很明顯是由于間隙調(diào)整所引起的。而通過我們實際的觀察,吸力面的層狀a空泡和平衡孔的d空泡并不受葉片外端間隙變小的影響。4空泡破碎原因(1)在3%揚程下降點下長時間運行,水泵葉輪內(nèi)會造成嚴(yán)重的汽蝕損傷。(2)葉片壓力面頭部的汽蝕損傷,在未發(fā)生進口回流時主要由旋轉(zhuǎn)方向的前一葉片吸力面頭部產(chǎn)生的層狀空泡向下游發(fā)展延伸,其尾部的霧狀空泡破裂引起的。而進口回流發(fā)生后,則由回流引起的進口