不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)(江苏大学流体机械工程技术研究中心 作者:施卫东

  通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究,对模型泵在3个典型流量工况下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.5,1.5和3.0mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响.结果表明:随着空化数的降低,空化首先在叶片进口边间隙区附近发生,逐渐往叶片出口边扩大,同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片,引起叶片出口靠近叶顶间隙10%区域的轴向速度逐渐降低;随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数增大,叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端往尾部移动,叶片出口轴向速度低速区主要集中在靠近间隙10%区域处,揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性.

  轴流泵由于扬程低、流速大等特点广泛应用于农业灌溉、城市给排水等工程中.然而轴流泵叶片叶顶与转轮室之间由于间隙的存在而引起泄漏流的出现,泄漏流由于流速相对较大,常常引起间隙空化的发生,对轴流泵的运行稳定性、振动噪声等都有重要的影响,因此轴流泵内部叶顶间隙空化成为国内外一个研究热点.文献采用数值模拟的方法较好地对不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场进行预测;真空技术网(http://www.chvacuum.com/)之前就曾发过一篇文献通过试验研究的方法较好地对旋转机械内部间隙泄露空化的形成以及发展过程进行捕捉和测量;文献通过对轴流泵内部空化流场进行研究提出轴流泵内部空穴微团运动规律;文献通过试验与CFD数值模拟相对比,验证了数值模拟技术对工程应用中的轴流泵汽蚀性能预测的可靠性.

  本研究以南水北调工程天津同台测试的TJ04-ZL-02号等比例缩放模型泵为研究对象,对其进行空化流场计算适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙(0.50,1.50和3.00mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能的影响.

1、模型

  本研究选取了南水北调工程优秀轴流泵模型为原型泵,以其等比例缩放模型泵为研究对象.其基本设计参数:流量Q=390m3/h,转速n=1 450r/min,名义比转速ns=700,叶轮直径D=199mm,轮毂比为0.468 1、叶轮叶片数为4枚、导叶叶片数为7枚,运用UG软件并基于模型水力图及装配图对模型泵叶轮、导叶以及其他过流部件进行三维实体建模,装配如图1所示.

轴流泵三维实体装配图

图1 轴流泵三维实体装配图

2、数值模拟

  2.1、网格划分

  运用ANSYS ICEM 软件对叶轮与导叶区域分别选用C型与H 型拓扑结构进行6面体网格划分;对叶片近壁面选用O型拓扑环绕并进行局部加密,叶片表面Y+值在0~80之间,平均值为26.43,叶轮叶顶间隙区设置20~30层网格.

  2.2、边界条件设置

  运用ANSYS CFX 软件对轴流泵内部三维流动进行数值模拟.由于模型泵扬程较低,系统相对误差较大,因此为了提高数值模拟的准确性,以无空化的单相计算结果为空化计算的初始值,边界条件根据实际试验条件进行设置,具体如下:静压进口,进口的空泡体积分数为0,液体的体积分数为1;参考压力为1.01325×105 Pa,液体温度为25℃,饱和蒸汽压力为3574Pa,空泡的平均直径为2×10-6m.选用SSTk-w 湍流模型,计算收敛精度设置为10-5.

  2.3、参数定义

  空化数σ=2(p0-pv)/(ρw2),径向系数r*=r/r0,空化面积比S* =S/S0,轴向速度系数v*=v/v0,其中:r0为轮缘半径;p0为泵进口压力;pv为介质工作温度下的饱和蒸汽压力(3574Pa);w为叶片进口轮缘处的圆周速度;Vs为泵段进口速度;r为圆柱截面半径;S 为半径为r 圆柱截面的空化面积;S0为半径为r圆柱截面的面积;v为叶片出口半径为r 处平均轴向速度;v0为叶片出口截面平均轴向速度;ρ=1 000kg/m3,g=9.8m/s2.

  本文通过ANSYS CFX 软件对模型泵在不同流量Q(320,390,480m3/h)下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.50,1.50和3.00mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小

  对轴流泵空化性能的影响,得到以下结论:

  a.模型泵在不同流量系数下的临界空化数试验值与预测值相对误差在6.13%~11.98%之内,满足计算需要,验证了CFD预测模型泵空化特性的正确性;

  b.随着空化数的降低,空化首先在靠近叶片前缘间隙区发生,且随着空化数的降低急剧增大,同时沿径向往叶片背面扩大最终占据整个叶片背面;

  c.在空化较为轻微时,叶片出口截面靠近间隙10%区域由于受到间隙泄漏流的影响,轴向速度系数逐渐降低,且叶片出口轴向速度系数随着间隙空化的影响而减小;

  d.随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数逐渐增大,在空化数σ=0.356时,随着间隙的增大,叶片间隙空化逐渐严重且往叶片尾部移动,同时间隙泄漏流增加,间隙空化对主流区的影响减小,引起叶片出口截面靠近间隙10%区域轴向速度系数变化逐渐缓慢.

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