离心泵式叶轮汽蚀损伤试验研究

离心泵式叶轮汽蚀损伤试验研究

1空泡损伤的防治随着小型、高速化和安全运行条件的扩大，社会各界必须解决海水泵气侵蚀引起的材料破坏、系统振动、性能下降等问题。其中对机械有致命影响的损伤是最为重大的问题,如何正确、定量地预估空泡引起的损伤、发展过程是极为迫切的。另外当水泵在含砂水中运行时汽蚀还会加剧泥砂对材料的磨损,造成磨蚀。由于泵内空泡形态因运行条件、叶轮几何形状、发生部位而异,对材料的危害程度也不同。虽然近些年许多学者在水泵的汽蚀损伤机理等方面开展了广泛的研究,但目前仍然无法对空泡的产生和发展、汽蚀损伤进行准确的数值模拟,对水泵内引起汽蚀损伤的空泡形态,尤其在偏离设计工况状态下也还没有完全弄清。2水泵空泡形态观察图1是开式水泵汽蚀实验台。通过调节进口阀的开度来改变进口压力。水泵转速和轴功率由扭矩仪测量。流量由涡轮流量计测量。本实验利用高精度压力传感器、直流信号放大器、A/D转换板和微机组成的数据采集系统来测量水泵进出口压力。测试时水泵转速为3000±2%r/min。试验用水泵是单级单吸离心泵,叶片数为5,叶轮外径为217mm,叶片进口边与轴心线平行,叶片厚度为4mm。为了观察叶轮内空泡的形态,特将原闭式叶轮的前盖板切除,并为此制作了如图2所示的透明有机玻璃吸入盖。叶片外端与吸入盖的间隙c为0.8mm。为了进一步弄清叶片外端间隙的影响,将硅胶涂抹在叶片外端成型使叶片外端与吸入盖的间隙在左右采用涂漆法观察汽蚀损伤,高频频闪灯光观察空泡形态。因为小流量工况下汽蚀损伤尤其严重,进口回流的发生使流态复杂,因此本文选择了进口回流发生前和发生后的70%和50%Qd(Qd为额定流量)两个流量进行实验。以往,为了确保水泵系统正常供水,在实际的水泵系统设计中是以3%扬程下降点时的有效汽蚀余量作为必需汽蚀余量的,但在此状态下空泡已较多。所以本文的上述试验是在70%和50%Qd流量的3%扬程下降点工况下进行的。本项目获教委优秀骨干青年教师基金资助。3试验结果与分析3.17叶片外端空泡变化引起的损伤间隙c为0.8mm,运行时间t为4小时,叶片表面的损伤情况如图3(a)、(b)所示。运行时间为12小时,间隙为0.1mm的情况下,吸力面的损伤情况见图3(c)。根据试验中的观察并参照对应的数码相片手绘空泡形态示意图见图4。图中a空泡是紧贴叶片吸力面的层状空泡,b、c空泡为叶片外端流面上靠近吸力面的白雾状空泡,d空泡为平衡孔下游的带状空泡。b、c空泡的形态见图5的数码相片。由图3(a)可以看到叶片A的压力面头部附近的油漆剥蚀非常明显,剥蚀区域位于距头部约2cm处。从图4、图5(a)可以看到,c空泡为叶片A的旋转方向的前一叶片即叶片B的叶片外端吸力面产生的大量的白雾状空泡,位于叶片长度方向中部略靠下游的位置。这些白雾状空泡尾部向叶片A的压力面延伸,尾部很不稳定,其与压力面的接触部位与图3(a)的损伤位置相符,故可以认为是叶片B的这些雾状c空泡尾端破裂造成了叶片A的压力面头部附近的损伤。由图3(b)可以看到吸力面头部外端略靠后有油漆剥蚀,面积不大,而且在叶轮上有两个叶片并没有产生这种损伤,由此可以看出吸力面的损伤没有压力面上的严重。由图4、图5(b)可以看出,b空泡是叶片B吸力面外端的数量较多的雾状空泡。由于这些空泡大多位于流道中,所以只有少量空泡在图3(b)所示的位置上破裂而引起损伤。从图4可以看到来自平衡孔的带状d空泡与叶片吸力面层状a空泡尾部混合在一起形成不稳定的空泡团,但由于4个小时实验时间太短,所以图3(b)中与其对应位置上无损伤。尽管图3(c)是小间隙状态下汽蚀损伤的试验结果,由于叶片外端间隙对吸力面的层状a空泡及平衡孔的d空泡的影响很小(后述得到试验确认),所以图3(c)可近似看作大间隙下16小时运行后叶片吸力面近轮毂侧及轮毂上的损伤情况。由图3c可以看出,在吸力面距叶片头部约3cm处和轮毂靠近叶片根部有大面积油漆剥蚀区,这说明吸力面的层状a空泡所覆盖的区域内并不造成损伤但层状空泡尾部呈白雾状其与来自平衡孔的d空泡尾部相混合形成一个较大的不稳定空泡团,这个空泡团在叶片吸力面和叶片根部轮毂处造成图3(c)所示的损伤。而带状d空泡可能是由于平衡孔下游端的局部脱流产生空泡及平衡孔向该空泡提供大量有效空泡核而引起的。a、d空泡发展到一定长度后其尾端会向下游释放白雾状空泡,同时由于与周围流道存在显著的速度差,空泡表面剪切层会产生损伤性强的涡状空泡。因而上述空泡有点类似脱流空泡,有较强的损伤能力。3.25c空泡的形成原因50%Qd流量为进口回流发生流量。本试验是通过粘在叶轮进口上游距叶轮进口4cm的吸入管内壁上的线条指向变化来判断进口回流发生的,即当线条从轴向转向旋转方向45o时就认为回流已经发生。在试验时间为16小时,间隙为0.8mm的情况下,叶轮的损伤情况见图6。图7为手绘叶轮内空泡分布的示意图,图中a空泡为紧贴叶片吸力面的层状空泡,b空泡为向进口上游延伸的回流空泡,c空泡为叶片外端喉部附近的涡状空泡,d空泡为平衡孔产生的空泡,另外c空泡形态见图8ㄢ由图6(a)可以看到叶片压力面紧靠头部的油漆剥蚀。从图7和图8可见c空泡位于叶片A与B形成的喉部流道内,这是由进口回流引起的喉部轴面漩涡的涡心内产生或聚集的涡状空泡,这种空泡团极不稳定,在空泡较多的流道内呈团状,而在空泡较少的流道内则呈丝状,位置也并不固定,在流道内喉部附近运动,有时打在叶片B压力面头部,与图6(a)损伤位置相符。从图7、8可见70%流量时的b、c空泡以及由它引起的图3(a)、(b)所示的叶片压力面和吸力面损伤则消失了。由图6(b)吸力面上的损伤与图7所示的紧贴吸力面的层状a空泡的尾端位置相符,由此可以推断出吸力面上的损伤是由a空泡的尾端破裂造成的。而轮毂上靠近吸力面根部的大面积的油漆剥蚀与70%流量下该位置的损伤类似,它依然是由a空泡尾部与平衡孔发出的不稳定长带状d空泡尾部相混合所形成的空泡团造成的,由于该混合后的空泡团不稳定,所以造成了较大面积的损伤。图6(b)所示平衡孔下游呈锥状指向下游的油漆剥蚀则区域也是涡状d空泡造成的。3.3进口回流发生的影响对回流发生前的70%流量进行小间隙试验,图3(c)及图9为小间隙下叶轮的损伤情况,图10为空泡形态。如图9所示,压力面上的油漆剥蚀由叶片头部开始,长度约2cm,宽度与叶片高度相当。从图10可见由于间隙变小使得原来大间隙条件下的b,c空泡(图5)不明显了,因此也就没有了图3(a)、(b)所示位置的损伤,这说明了图5所示的70%Qd流量下b、c空泡是由叶片外端泄漏液流引起的,而图8所示的50%Qd流量即进口回流发生流量下图5所示的b、c空泡消失,这说明进口回流发生后,叶片外端泄漏液流对吸力面外端空泡的影响减小。文献通过对开式和闭式离心叶轮进口前翼间速度分布的测试,发现进口回流发生后回流引起叶片吸力面进口附近向叶片外端的二次流增强,从而减少了叶片外端泄漏液流对进口流道内的流动的影响。本文与文献有一定的对应关系。从图10可见小间隙时前一叶片(叶片B)吸力面头部产生的层状a空泡则延伸至后一叶片(叶片A)头部,其尾部造成了图9的压力面头部的损伤,这种损伤位置的前移很明显是由于间隙调整所引起的。而通过我们实际的观察,吸力面的层状a空泡和平衡孔的d空泡并不受叶片外端间隙变小的影响。4空泡破碎原因(1)在3%扬程下降点下长时间运行,水泵叶轮内会造成严重的汽蚀损伤。(2)叶片压力面头部的汽蚀损伤,在未发生进口回流时主要由旋转方向的前一叶片吸力面头部产生的层状空泡向下游发展延伸,其尾部的雾状空泡破裂引起的。而进口回流发生后,则由回流引起的进口