涡轮泵诱导轮 诱导轮叶片泵入口回流抑制及对性能的影响

摘 要：为了提高叶片泵抗汽蚀性能，降低相对流速，一般采用加大叶轮入口直径设计，这样也提高了汽蚀比转数（Nss）和入口回流系数（SRF），当入口回流系数达到一定数值时，会导致高吸入能量泵的叶片损坏，同时也降低叶片泵在部分流量下工作的性能。对某高性能诱导轮叶片泵入口回流进行了数值模拟研究，提出了入口回流抑制方法并做出优化设计，提升叶片泵在部分流量工作时的性能。

关键词：叶片泵；汽蚀性能；入口回流系数；回流稳定器

引言

抗汽蚀性能是叶片泵性能的一个重要方面，决定了泵的工作稳定性和工作区间。为了提高叶片泵的抗汽蚀性能，一般采用双吸入口叶轮或者加大叶轮入口设计方法，主要目的是降低叶轮入口处的相对流速，减少低压区，从而提高汽蚀性能，而加大叶轮入口设计又可能带来一些其它弊端。

例如：提高了叶片入口外缘的圆周速度，当泵在部分流量下（低于最高效率点流量）运行时，会导致叶轮入口区域的流体与叶片分离并形成循环涡流，这便是入口回流。文献[1] [2] [3]研究表明，对于高转速高能量密度泵，这些涡流会在叶轮上产生很大的力，同时引起振动或损坏。

叶片泵入口回流及回流稳定器结构

表征入口回流强度的特征值定义为SRF（Suction Recirculation Factor），其计算公式是：

其中：

Nss为叶片泵汽蚀比转数（gpm, rpm, ft）

U1为叶片入口圆周速度，单位（ft/s）

S.G.为介质比重

以上表明：对于高吸入能量泵，也就是高汽蚀比转数，大流量高转速，高介质密度会增加入口回流系数（SRF），入口回流引起泵振动或损坏的可能性更大。文献[1]给出了具体数值区间。

在叶片泵吸入端增加入口回流稳定器可以减少叶片入口回流、减轻紊乱涡流，捋顺叶片入口流线，抑制回流。从而起到既提高泵抗汽蚀性能，又提高泵工作强度稳定性，延长泵的无故障工作时间（MTBF）。

图1示出了回流稳定器结构，在叶轮前部外径外侧设置回流通道，将叶轮入口外侧回流导回入口远端。序号1为回流稳定器，序号2为离心轮前的诱导轮。

分析模型

以某型高速泵为研究目标，转速为8810 rpm，额定流量为45 kg/s（常温水）。通过数值计算模拟回流稳定器对叶片入口回流的抑制作用、对流动的捋顺作用，对比给出增加回流稳定器前后以及回流结构优化前后的诱导轮效率计算值、扬程计算值、回流量计算值，给出汽蚀初生时的汽泡分布状态。

设计3种结构模型，模型（a）不设置入口回流稳定器，模型（b）设置入口回流稳定器，模型（c）设置入口回流稳定器，将诱导轮前伸，前缘圆弧段伸入到回流稳定器中。

给定计算边界条件为：入口总压67 kPa，每种模型出口流量以额定流量的100%，60%，30%分别计算。

计算结果及分析

1.效率、扬程、回流量对比分析

从以上计算数据可以得出：

有回流稳定器的模型，随着泵流量的减小，通过回流稳定器侧壁的流量增加，稳定了入口流量。回流稳定器对入口回流导流有效。优化设计后，将诱导轮前缘圆弧段伸入到回流稳定器中，提升了泵在部分流量工作时的诱导轮扬程和效率。

2.流线图对比分析

图中流场入口均在左侧，从以上流线图中可以得出：

没有加回流稳定器的模型（a）在100%额定流量时入口侧壁产生了回流区，在60%额定流量时，回流区扩大，在30%额定流量时，回流区充满入口管道，挤占了叶片入口来流。

设置入口回流稳定器（原设计）模型（b）在全部30%-100%流量范围内叶轮入口均为平行来流，回流均通过回流通道流动，改善了叶片入口流场分布。但是在叶轮远端，在部分流量时，回流会挤占入口流道，但这对叶轮入口附近了流场影响不大。

在部分流量时，模型（b）在回流通道内靠近叶轮侧产生涡流，将诱导轮前缘圆弧段伸入到回流稳定器中后，涡流消失，但此涡流对叶轮入口的流场影响不大。

3.汽蚀初生时的汽泡分布状态对比分析

从以上汽蚀汽泡的分布图可以得出结论：

增加回流稳定器明显减少了汽蚀初生时汽泡分布区域，显著改善了叶片泵的汽蚀性能，特别体现在30%流量时。

将诱导轮前缘圆弧段伸入到回流稳定器中，在30%流量时的汽泡分布区域对比模型（b），汽泡区域有所减少，略微改善了小流量时的汽蚀性能。

结论

叶片泵入口加回流稳定器有效改善了叶片入口区域的流动状态，抑制了回流分布区域，减轻了入口涡流，显著改善了叶片泵在部分流量下的汽蚀性能，对部分流量下的泵扬程和效率有所提升，将诱导轮前缘圆弧段伸入到回流稳定器中后，取得更略微优化的效果。这些效果对于加大叶轮入口设计方案的高吸入能量泵很有益，会减轻振动或损坏，建议高吸入比转数叶片泵前加回流稳定器。

作者：于海力林桢吴玉珍，北京航天动力研究所

参考文献