浅谈诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响

劳青平

柳州酸王泵制造股份有限公司

摘要：离心泵靠叶轮旋转产生的离心力来输送液体， 在流量大、而扬程不高的工作场合中应用比较广泛。诱导轮是一种轴流式叶轮，其加设在离心泵主叶轮之前，主要目的是提升叶轮入口压力，改善泵的空化性能。本文研究了诱导轮出口螺距对离心泵空化性能的影响，旨在为提升离心泵抗空化性能提供一定参考与借鉴。

关键词：离心泵；诱导轮；出口螺距；空化性能；影响

离心泵通过叶轮旋转而使水发生离心运动来工作，当泵壳和吸水管内充满水后，在电机驱动下，泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，借助离心作用，水被甩向叶轮外缘，再经过蜗形泵壳流道流向水泵的压水管路。离心泵的各部分构造主要包含泵体、泵轴、叶轮、轴承、密封环、填料函等部分，其中叶轮是离心泵的核心部分。如果液体温度保持不变，当压力降到特定临界值时，离心泵中的液体就会发生汽化，就称之为离心泵空化。其主要原因是离心式叶轮高速运转过程中，叶轮进口存在低压区，导致气体极易被析出，受离心力作用而进一步导致所输送的介质发生液体与气体分离。离心泵发生空化后，就会产生比较大的振动和噪声，导致过流部件腐蚀和性能降低。解决方法一般是在高速离心泵前加装诱导轮。因为诱导轮属于轴流式叶轮，本身具有较好的轴流式叶轮的几何特性与空化特性，在运转过程中不会产生离心力叶轮产生的空泡被压控在诱导轮外缘低压区，并聚集在叶轮内，因而不会堵塞流道。此外，诱导轮产生的扬程还能提高离心轮进口的压力和离心轮的空化余量。随着各领域对离心泵抗空化性能要求的提高，诱导轮也得你到了越来越广泛的应用，关于诱导轮对离心泵空化性能影响的研究，也逐渐受到重视。本文在计算工作状态泵的空化余量基础上，确定了诱导轮的设计参数，在确保诱导轮进口螺距和其它参数不发生变化的情况下，将出口螺距逐渐增大，来研究出口螺距对离心泵空化性能的影响。

一、诱导轮设计

（一）装置空化余量与泵的必需空化余量计算

根据之前的设计，诱导轮扬程一般取为

（1）

在上式中， 表示诱导轮需提供的扬程； 表示泵所需的空化余量； 表示装置空化余量。

装置空化余量会与泵工作状态改变保持同步，这就需要在设计诱导轮前，先计算出工作状态泵的空化余量，明确诱导轮设计扬程。本文设定的泵工作状态下，不同数值具体如下： =19330 Pa, =0.5 m、 =0.13 m， =6000 Pa， =775 kg/m³， =9.8 m/s²，将数值代入到式（2）中，可得装置空化余量为1.12m。

（2）

在上式（2）中， 表示贮箱内压力； 表示泵吸上高度； 表示管理系统水力损耗； 表示液体气化压力。

泵的必需空化余量计算，根据式（3）进行计算，可以得到结果为 。

（3）

在上式（3）中， 表示叶片进口的绝对速度； 表示叶片进口的相对速度； 表示叶片进口压降系数。

（二）诱导轮模型建立

诱导轮设计参数为： 、泵扬程 、流量 、诱导轮扬程 。轮缘直径 、轮缘进口安放角= 、螺距 、叶片数 。在诱导轮的几何参数中，螺距非常重要，进口螺距发生变化，就会对诱导轮空化性能产生影响。_进=5mm不变，诱导轮螺距作为变量，设计三个诱导轮，分别以A1、A2、A3表示，出口螺距分别为_出=5mm、_出=8mm、_出=11mm。利用Creo2.0建造三维模型，如图1。

（a）A1 （b）A2 （c）A3

图 1 诱导轮结构

（三）空化模型建立

在Singhal全空化模型基础上，建立Pumplinx中使用的空化模型，利用这个模型来对流体的空化、气化以及流体的可压缩性性质，来进行综合考虑。模型公式见下式。

其中， 表示空化蒸发系数； 表示气泡质量分数； 表示气泡扩散率； 表示空化凝聚系数； 表示面法线； 表示气泡压力； 表示奇葩凝聚率； 表示气泡生成率； 表示压力； 表示气泡源； 表示时间。

二、数值模拟结果与分析

（一）空化特性分析

在对数值进行计算后，结合计算结果，现在就能得到泵空化断裂曲线，同时，也能获得各个进口压力下泵内气泡的具体分布情况，见图2、图3所示。结合图形分析空化断裂曲线，我们可发现，在离心泵前置不同型式诱导轮，离心泵的空化特性也是存在非常大的差别的。诱导轮A1，在空化余量 不断降低的情况下，泵扬程 呈现出先逐渐降低的特点，尤其是在 =1.05 m时，与无空化时相比，泵扬程下降了3%，在此种情况下，就到达了泵的临界空化点，这个点上，离心泵叶轮内就有气泡开始产生；伴随着进口压力的不断降低，当 =0.89 m时，此种情况下，扬程曲线就呈现出陡然下降的情况，这个点就可视为泵空化断裂点。而在这个时候，离心泵叶轮内气泡还在继续产生并进行集聚，对叶轮内液体的流动产生了极大的影响，表现在外特性上就是扬程出现陡降的情况。

图 3 空化断裂曲线

A1 A2 A3

图 4 中间截面气泡分布

将泵入口压力进行降低，随着严厉的不断降低，诱导轮A2、A3的泵扬程的下降情况与A1差别不大，区别之处是对应的空化点不同，后二者的扬程系数与前者相比，明显偏大，但其临界空化点和断裂空化点对应的 数值都篇小。这种情况提示，同样进口压力条件下，加设了诱导轮A3的离心泵，其扬程要大于其他两个，但是其空化断裂点要小于其他两个。A1、A2的空化断裂点扬程提高了10.4%和18.6%。

（二）内部流动分析

为更好地明确离心泵气泡发生、发展的情况，本次研究分别对 =1.68 m,0.89 m,0.65 m的情况下，气泡在离心泵截面上的分布状况进行分析。在离心泵上分别加设三种诱导轮，在对 =1.68 m,时候，A的三个留到内叶轮叶片背面处，显然已经出现了非常明显的气泡聚集情况，不过，这个时候只是还处于空化的初生阶段，相对来说产生的气泡的数量还不是很多，对于流动的影响也是比较小的。同时，在空化断裂曲线上，扬程也开始发生改变。A2在这个时候，只有叶轮两个流道内叶片背面，聚集了少量的气泡，对流动的影响也很小。A3此时在叶轮流道内也没有发现气泡，说明这个时候泵内空化还没有真正发生。 =0.89m时，气泡在离心泵叶轮各个流道内都开始产生。同时，气泡也开始发生移动，从叶片背面靠近进出口的地方，逐渐向叶片出口处进行移动，尤其是在空化情况更加严重的留到内，气泡不断地开始蔓延，甚至可以占据流道面积的50%左右。表现在空化断裂曲线上，扬程也呈现出快速下降的趋势。A2的四个流道内都有大量气泡产生，很多都是在于叶轮叶片背面，但是气泡区域面积不大；A3只有两个流道内产生气泡，面积比A2也更加小。当 =0.65 m时，A1的整个叶轮流道内都分布着大量的气泡，并于蜗壳隔舌处堵塞了流道，对泵内流动形成了极大的阻碍，在此种情况下，空化断裂曲线上的扬程也呈现出跌落的态势。A2的流道内也都分布着气泡，但是面积相对较小，也没有对流道形成阻塞，蜗壳隔舌及扩散段没有气泡产生。A3中，只有个别流道中存在气泡，也没有影响泵内的流动，空化断裂曲线上的扬程也只是出现小幅度的降低。

三、结语

综上所述，当离心泵进口压力不断降低，气泡会先在离心泵部分流道叶轮叶片背面靠近进口处产生，同时泵扬程也会出现降低。加设三种诱导轮的离心泵，其气泡分布也呈现出明显的差别，空化断裂特性也存在明显的不同。在相同进口压力条件，通过调整螺距可以有效减少流道内气泡的产生，气泡区面积较小，离心泵的扬程提升，泵内空化进一步减弱，能有效增强离心泵的抗空化性能。在具体实践中，可结合实际情况予以合理应用。

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