引言

为了实现高压、高效、高可靠性及长寿命航空发动机燃油系统的技术发展目标，对其各组件进行性能提升至关重要。其中，作为系统增压泵、加力泵的燃油离心泵，亦需深入探讨并研究其综合性能。尤其是在当前大机动飞行、超声速巡航的工作要求下，离心泵内存在复杂的汽蚀流动问题，制约着泵的增压效率，严重时影响着泵的寿命及可靠性。因此，很有必要研究一种高效的离心泵汽蚀特性优化方法。

1汽蚀原因

水泵运行时发生汽蚀的根本原因是输送的介质绝对压力低于其本身的汽化压力，从而导致介质开始汽化，产生蒸汽形成气泡。当气泡随着泵的运转流动到高压区时，在压力作用下气泡缩小至破裂，介质在破裂处急速填充并相互撞击，产生的作用力对周围零件形成破坏。当水泵发生汽蚀时，一般会伴有噼噼啪啪类似爆豆声音，水泵整个机组的振动数值会急剧上升；汽蚀发生到一定阶段时，水泵的性能受到影响，表现为流量－扬程、流量－轴功率、流量－效率曲线下降，造成水泵零部件的损坏。实践证明常常在叶轮出口和压水室的进口部位发现汽蚀破坏痕迹，但是汽蚀的发源地是在叶轮的进口，必须防止在叶轮进口产生气泡。

2水泵汽蚀故障在工程应用中的处理方法

2.1汽蚀模型验证

首先对汽蚀模型进行验证考核，为比较不同汽蚀模型适用性，通过调整出口静压系数更改出口静压，从而保证在进口流量一定的条件下改变汽蚀余量的数值，相应的离心泵的工况发生改变，扬程大小也会发生变化。可以看出2种汽蚀模型扬程变化趋势均与试验接近，相较而言ZGB模型仿真精度更高。故后续的仿真将采用ZGB模型对离心泵汽蚀过程的仿真过程进行分析。

2.2多阶段主动学习加点策略

仅使用少量初始设计点建立的Kriging模型精度较差，需通过增加采样点提高模型精度。传统单一加点策略，如:均方差策略(mean squar eerror，MSE)、改善期望策略(expected improvement，EI)和交叉验证策略(crossover，CV)等，建立的模型精度和迭代误差下降速度有限。因此，为了最大程度地基于较少设计点提高模型精度与迭代速度，提出了多阶段加点策略(multi-stage adding strategy，MSAS)。鉴于篇幅，此处不再详细介绍3个单一加点策略，只给出多阶段加点策略的算法流程。计算过程涉及3个阶段，且每个阶段根据不同的判据(误差数量级下降判据、第一重收敛准则、第二重收敛准则)进行有效切换。另外，3个阶段中，第一阶段采用MSE加点策略，第二阶段采用3种加点策略(CV、EI、MSE)结合的加点方式，第三阶段采用EI加点策略。

2.3微观组织分析

对损坏的十字头进行金相组织分析，每个十字头取3个样品进行分析，首先分析抛光未腐蚀的样品，随后用硝酸酒精溶液进行金相腐蚀分析。根据微观组织分析，可以看到十字头微观组织为典型的珠光体基体的灰口铸铁组织，石墨呈片状分布，并非设计的球墨铸铁组织，该组织强度低、耐磨性能差、脆性大，在受冲击载荷时容易开裂。

2.4流场分布结果对比

为了更详细地对比优化前后离心泵性能变化，分别对原型泵、优化泵的气液两相分布、压力分布和相对速度分布结果进行对比分析，图3为设计工况下离心泵中间轴向截面上的仿真结果对比。可以看出:原型泵与优化泵的气液两相分布整体趋势基本一致，在叶轮叶尖处均产生了一定的空泡区域，但优化泵的空泡分布区域更小。另外，原型泵进口附近产生了明显的旋涡流动，部分主叶片压力侧产生了细长的二次分离流结构。蜗壳中近壁面区域的流速较快，出口处形成了一定的旋涡流动，造成了局部压力能的严重损失;优化泵进口处的回流现象减弱，叶轮中流体速度有一定程度提高。蜗壳扩散管中的涡结构稍微减弱，出口处的压力能损失大幅减小，流动更加平缓。

2.5工程应用

增加叶轮进口压力，一方面在工程条件允许的情况下，通过调节泵安装尺寸，达到降低吸上高度或者增加倒灌高度的目的，相当于增加叶轮进口处的压力，可以有效改善汽蚀，这是在工程应用中常用也是优先考虑的处理手段；另一方面增加闭式吸入装置中吸入压力或者采用增加前置泵的方式，防止汽蚀的发生。减小吸入损失，通过增加吸入管径、减少吸入管路中阀门及弯头的数量、优化吸水池结构以及泵吸入室的形状等手段，减少吸入管路沿程损失及局部损失，提高装置汽蚀余量。作为一名水泵工程师，不仅需要熟悉水泵汽蚀方面的知识，更要懂得活学活用，掌握如何合理地把理论知识转化到实际工程应用中，当遇到水泵汽蚀故障时，需要工程师根据现场条件及水力工况，能够快速、简单并有效地提出整改方案。

2.6摇摆周期影响

一级工作轮最小压力值高于汽化压力，并无汽蚀现象产生，不同摇摆周期下压力场均随摇摆周期呈现先减小后增大的变化规律。从公转角度考虑，单周期内摇摆运动分速度最大值在1/4T及3/4T处达到，结合工作轮自转运动，离心泵单周期内速度最大时刻出现在3/4T附近，此时压力场数值也相应最低。此外，对比不同摇摆周期方案相同特征时刻的压力云图可知，摇摆周期越大，相同时刻的压力场参数值越大，越难形成空化，表明其受摇摆运动的影响越弱，抗汽蚀性能更强。整个离心泵内低压区主要分布在进入一级双吸工作轮前的2个导轮内。研究离心泵汽蚀形成区流场时变特性规律对整个摇摆运动中物理现象背后机制的理解十分重要。与前文2个工作轮不同，导轮附近的压力场数值最小值达到了工质特定温度下的饱和蒸汽压力，能够发生汽蚀，且2个导轮关于双吸工作轮1对称，2个导轮的流场参数分布大致对称。但由于关键部件整体做摇摆运动，导轮叶片表面的局部压力仍略有差别。2个导轮叶片表面的压力场分布时变规律遵循上文所述的摇摆运动规律，压力场数值均先减小后增大，但整个摇摆周期内最低压力值始终存在。此外，与工作轮中低压区所处位置不同，导轮叶片表面的低压区分布在叶片吸力面边缘处。摇摆周期越大，2个导轮叶片表面的压力场参数值显著更大，越不易形成空化现象。此外，摇摆周期越大，2个导轮叶片表面形成的空化现象范围越小，与上文分析导轮叶片压力场具有高度对称性结果类似，空化影响范围出现了高度的对称性。

结语

综上所述，离心泵是否在运行时发生汽蚀，理论上从选型设计时就已经确定，但是实际应用中由于各种因素的影响，水泵可能会偏离设计工况点运行，导致汽蚀的发生。技术人员掌握一定的处理方法后，能够依托现场资源对水泵进行一定的改造，快速有效地解决汽蚀问题。

参考文献

[1]王秀礼,袁寿其,朱荣生,等.离心泵汽蚀断裂工况原因的数值模拟分析[J].核动力工程,2012,33(6):101−104.

[2]王秀礼,袁寿其,朱荣生,等.离心泵汽蚀过渡过程瞬态特性分析[J].西安交通大学学报,2012,46(7):38−43.

[3]王秀礼,姜大连,俞志君,等.船用离心泵汽蚀性能数值模拟与试验研究[J].热能动力工程,2011,26(5):588−592.