摘要
近年来，离心泵在我国的保有数量巨大，随着社会的发展，离心泵的需求还在快速增长。同时对离心泵性能要求越来越严苛，其中抗空化性能是一个关键性能参数，且是一个重难研究课题。当离心泵发生严重空化时，空泡会在每个流道汇聚变大，并产生堵塞现象，极大降低泵的外特性能。空泡溃灭时会产生高温高压的微射流，这种高温高压的微射流会对叶片等过流部件造成侵蚀损伤，即空蚀。当叶片被侵蚀破坏严重时就会失去做功能力，进而使泵不能正常工作。泵空化运行时还会引起振动和噪声，极大降低泵的使用品质。因此，研究离心泵空化机理和探寻空化抑制策略具有重要实用价值和意义。 根据前人研究经验，在离心泵叶轮中设计分流叶片会对空化有一定抑制和优化作用，但对离心泵的性能有较大影响。为了尽可能降低对离心泵外特性的影响，并且减少对叶轮流道中流动的扰动，本文采用试验和数值模拟的方法研究了在叶轮前盖板内表面布置不同径向位置、偏置角度、宽度和长度参数的非连通形式的小叶片对空化性能的影响。本文的主要内容和创新成果如下： （1）本文首先阐述了空化研究背景和空化研究现状，对空化定义和机理进行简要总结说明。接着对目前水翼、轴流泵和离心泵中空化产生机理以及抑制方式方法进行概括总结，了解目前现状。离心泵中空化控制的方式方法主要分为：优化离心泵体的自身结构参数、增设外部装置、改变内部结构特征和内部增设部分结构等。本文在叶轮内部前盖板上增设非连通形式小叶片结构，研究了其对空化和水力性能的影响。 （2）对控制方程、湍流和空化模型进行介绍。对闭式离心泵试验系统以及水力和空化性能试验步骤进行详细介绍，并进行了试验测试。对其外特性和空化性能进行了数值计算，数值计算得到的外特性和空化性能曲线与实验得到曲线吻合较好，扬程最大相对误差在4.0%以内，效率最大误差为5.9%，均满足误差要求，验证了数值模拟的可靠性与精确性。 （3）在流道中间靠近进口附近布置的小叶片（如方案A1、A2），在空化初生阶段对空化抑制较好，但在空化发展和严重阶段促进了空化。在中间和偏后位置布置的小叶片（如方案A3、A4），在空化各个阶段均起到抑制作用并提高了断裂扬程，尤其在空化初生和严重阶段抑制效果较好。小叶片可诱发叶轮进口附近相对高压，减缓低压区扩散，并梳理了流场结构，对空化产生抑制作用。 （4）置添加小叶片后，泵扬程和效率变化不大，相对误差均在±1.0%以内，对泵外特性影响较小，并且小叶片降低了临界空化余量，提高了断裂扬程，提高10.4%。在空化初生、发展和严重阶段，空泡体积分别减小了73.3%、5.8%和26.0%，抑制效果显著。在空化初生和空化发展阶段，较长小叶片可提高对流动的约束和分流作用，降低了流道内旋涡的强度，优化了流场结构。在空化严重阶段，小叶片加强了旋涡的强度。在各空化余量下，小叶片减小了低压区范围，抑制了空化，且对流场的整体压强分布影响较小，并降低了主要监测点压力脉动幅值，进而减弱了泵的振动和噪声，使泵运行更加稳定。 （5）添加不同偏置角度非连通小叶片后，扬程略微降低，降低幅度在0.5%以内，外特性影响不大。与原泵相比，不同偏置角度小叶片方案对空化的发生和发展均有抑制效果。但在空化严重阶段，小叶片向主叶片吸力面和压力面偏置时，对空化的抑制效果均减弱，且断裂扬程均降低。小叶片在流道中间位置θ=0°时，扬程最高，空泡体积最小，空化抑制效果最优。 （6）小叶片存在一个最优宽度参数使空化抑制效果达到最优，本研究模型泵的小叶片宽度等于3/4主叶片宽度时，离心泵的空化性能最优；小叶片增宽后对离心泵的水力性能影响较小。与原型泵相比，扬程略微降低、效率略微增加，相对变化率均在1.0%以内；在空化初始和发展阶段，增宽后的小叶片对流场结构影响不大，略微增加了叶轮进口附近湍动能；但在空化严重阶段，增宽后的小叶片加剧了其后端的旋涡强度，进一步减弱了出口附近湍动能。 （7）添加不同长度参数的小叶片后，在各个工况下对离心泵扬程和效率的影响同样也较小。在空化各个阶段，较长和较短的小叶片对空化均有抑制效果，且空化抑制效果相当，均较优，小叶片长度参数对空化性能的影响较小。在空化初始和发展阶段，较长的小叶片可梳理优化流场结构，较短的小叶片对流场结构影响较小，但均加强了空化严重阶段流道中旋涡强度；较短的小叶片同样略微增加了叶片进口附近湍动能，诱发进口附近相对高压，并降低了叶轮出口附近高湍动能区域湍动能。同时也降低泵内整体压力脉动，进而降低了噪声和振动，使其空化运行更加稳定。前盖板布置非连通小叶片方法，对于抑制离心泵空化的发生和发展具有重要意义。
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