程效銳，賈寧寧，張雪蓮

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

高速離心泵體積小，重量輕，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，其關(guān)鍵水力部件誘導(dǎo)輪的空化性能對高速離心泵的性能、穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生很大影響[1]。關(guān)于誘導(dǎo)輪的空化，學(xué)者們做了大量研究。侯杰等[2]針對3 種誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方案，提出了提高誘導(dǎo)輪空化性能的誘導(dǎo)輪揚(yáng)程系數(shù)與進(jìn)口液流沖角的確定方法。唐飛等[3]采用對誘導(dǎo)輪進(jìn)口段殼體開槽以及葉片進(jìn)口邊形狀為雙圓弧的方法來改善誘導(dǎo)輪空化性能。郭曉梅等[4]和崔寶玲等[5]對比分析了無誘導(dǎo)輪、等螺距誘導(dǎo)輪、變螺距誘導(dǎo)輪、分流葉片誘導(dǎo)輪4 種方案時(shí)泵的空化性能，揭示了不同類型的誘導(dǎo)輪對離心泵空化性能的影響規(guī)律。王永康等[6]研究了誘導(dǎo)輪內(nèi)部非定常空化流動(dòng)及其不穩(wěn)定現(xiàn)象，對回流渦空化、輪轂空化、旋轉(zhuǎn)空化進(jìn)行了分析，指出回流渦空化和輪轂空化是由于間隙泄漏產(chǎn)生的。Tsujimoto 等[7]研究了3 種不同形狀吸水室對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵誘導(dǎo)輪上游回流渦的影響。孔繁余等[8]研究了空化性能與變距系數(shù)之間的關(guān)系。王文廷等[9]分析對比了不同誘導(dǎo)輪及其與葉輪的匹配關(guān)系對離心泵內(nèi)流場特性及空化性能的影響。Jiang 等[10]研究了不同溫度和空泡率下誘導(dǎo)輪和回水噴射管對高速離心泵空化性能的影響。Sun 等[11]研究了變螺距誘導(dǎo)輪幾何形狀及與葉輪的匹配對離心泵空化性能的影響。Okita 等[12]等通過建立二維簡化平板模型及三維誘導(dǎo)輪模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了誘導(dǎo)輪葉頂間隙產(chǎn)生的回流渦對非定?？栈挠绊?。潘中永等[13]研究了誘導(dǎo)輪進(jìn)口邊修薄以及進(jìn)口邊形狀對誘導(dǎo)輪空化性能的影響。

總體而言，已有研究對于誘導(dǎo)輪葉片截面在子午面內(nèi)的后傾角度對高速離心泵空化性能影響研究較少。本研究以高速離心泵的變螺距誘導(dǎo)輪為研究對象，采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對誘導(dǎo)輪葉片截面在子午面內(nèi)后傾角變化對高速離心泵誘導(dǎo)輪空化性能的影響規(guī)律開展研究。

1 幾何模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.1 高速泵與誘導(dǎo)輪基本參數(shù)

本文以高速離心泵為研究對象，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。計(jì)算域分為進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、葉輪和蝸殼，運(yùn)用Pro/E 軟件進(jìn)行三維建模，結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，其關(guān)鍵水力部件變螺距誘導(dǎo)輪的主要參數(shù)如表2 所示。

表1 高速泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 高速泵結(jié)構(gòu)圖

表2 誘導(dǎo)輪的主要幾何參數(shù)

1.2 模型方案設(shè)計(jì)

本研究通過改變高速離心泵變螺距誘導(dǎo)輪葉片截面在子午面內(nèi)的后傾角設(shè)計(jì)了4 組誘導(dǎo)輪方案，如圖2 所示，4 組方案分別是θ=0°、2°、4°、6°。

圖2 誘導(dǎo)輪葉片后傾示意圖

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

1.3.1 高速泵水體計(jì)算域網(wǎng)格劃分

高速離心泵流體域主要由進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、葉輪和蝸殼4 部分組成，如圖3（a）所示。采用對復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)性好的非結(jié)構(gòu)化四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并不斷調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格數(shù)量以保證研究的準(zhǔn)確性。通過對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，如表3 所示，最后確定選取450 萬計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行后續(xù)研究。圖3（a）、（b）分別為計(jì)算域整體網(wǎng)格及關(guān)鍵水力部件水體網(wǎng)格示意圖。

圖3 水體域網(wǎng)格劃分

表3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

1.3.2 湍流模型與空化模型

在湍流模型選取中，RNGk-?湍流模型在?方程中增加了附加項(xiàng)，使其在計(jì)算梯度較大的流場時(shí)精度更高，同時(shí)通過修正湍流黏度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)，從而能夠更好地處理應(yīng)變率大及彎曲程度高的湍流流動(dòng)。相比于假定湍流為各向同性的k-ε模型，RNGk-?模型計(jì)算功能更強(qiáng)，計(jì)算誤差較小。因此，本文采用三維定常雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程，RNGk-?湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

在空化研究中采用基于簡化的Rayleigh-Plesset方程和Navier-Stokes 方程而建立的Zwart-Gerber-Belamri 空化模型。Rayleigh-Plesset 方程描述的是不可壓流體中球形空泡半徑的變化規(guī)律，基于Navier-Stokes 方程的輸運(yùn)模型是廣泛應(yīng)用的求解空化流動(dòng)的方法。該模型的控制方程為：

式中：蒸氣體積分?jǐn)?shù)αruc為0.0005；蒸發(fā)系數(shù)Fvap為5 0；凝結(jié)系數(shù)Fcond為0.01。

1.3.3 邊界條件

進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，并設(shè)置不同的進(jìn)口總壓對高速離心泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量出口，以保證計(jì)算流量。壁面均采用無滑移條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，計(jì)算介質(zhì)設(shè)為不可壓縮且密度為780 kg/m3的航空煤油。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對高速離心泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)驗(yàn)證，圖4 為其轉(zhuǎn)速為30000 r/min 下的總揚(yáng)程、效率的試驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出：在設(shè)計(jì)點(diǎn)流量Q=11.54 m3/h 時(shí)，數(shù)值計(jì)算揚(yáng)程為729 m，與試驗(yàn)結(jié)果誤差不足0.1%；在小流量下誤差較大，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果揚(yáng)程誤差為1.3%。這說明試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合，且變化趨勢一致，反映出數(shù)值計(jì)算具有一定精度，可以用于本研究。

圖4 高速離心泵的試驗(yàn)曲線與數(shù)值計(jì)算曲線

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 空化性能

在流量Q=11.54 m3/h 工況下對4 種誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到泵的空化性能曲線如圖5 所示。圖中縱坐標(biāo)為高速離心泵總揚(yáng)程，橫坐標(biāo)為無量綱參數(shù)空化數(shù)σ，其定義為

式中：P0為泵進(jìn)口壓力，Pa；u0為葉輪葉片進(jìn)口邊與前蓋板交點(diǎn)處的圓周速度，m/s；Pv為流體的飽和蒸汽壓，取Pv=2400 Pa，工作溫度為25 ℃。其中，

式中：D為葉輪葉片進(jìn)口邊與前蓋板交點(diǎn)處的直徑，mm；n為軸轉(zhuǎn)速，r/min。

不同方案下的空化性能曲線如圖5 所示。由圖可以看出，隨著葉片截面后傾角度的增大，高速離心泵的空化性能先變好再變差，說明在一定范圍內(nèi)改變誘導(dǎo)輪軸截面后傾角使高速離心泵的空化性能有所改善?？栈l(fā)展過程一般可分為3 個(gè)階段，分別對應(yīng)圖5 中的a—b、b—c、c 點(diǎn)以后。1）a—b 為空化初生階段（在泵揚(yáng)程下降之前，空化初生早已發(fā)生，故以總揚(yáng)程發(fā)生下降之前的過程定義為空化初生階段）。在此階段4 組誘導(dǎo)輪方案下高速離心泵揚(yáng)程變化較小，其變化幅度不足0.1%；在相同空化數(shù)下θ=2°的方案總揚(yáng)程略高于其他3 個(gè)方案。2）b—c 為空化發(fā)展階段。此階段4 組誘導(dǎo)輪方案的總揚(yáng)程都發(fā)生明顯的下降，定義揚(yáng)程下降了3%時(shí)的空化數(shù)為臨界空化數(shù)（此方法在工程中常用來確定泵的必需汽蝕余量）；在σ大于1.46時(shí)，總揚(yáng)程的下降趨勢平緩，當(dāng)σ小于1.46 時(shí)，總揚(yáng)程的下降速度加快，下降幅值增大；其中方案θ=2°的總揚(yáng)程下降速度最慢，其他3 個(gè)方案下降趨勢基本一致；當(dāng)空化數(shù)降至臨界空化數(shù)（c 點(diǎn)）時(shí)，總揚(yáng)程趨于相等。3）c 點(diǎn)以后為空化加劇階段。高速離心泵性能嚴(yán)重劣化，總揚(yáng)程迅速下降，且發(fā)生空化斷裂現(xiàn)象；隨著空化數(shù)的減小，總揚(yáng)程的下降速度加快，空化數(shù)小范圍的減小導(dǎo)致總揚(yáng)程迅速下降；該階段下4 組方案的總揚(yáng)程變化趨勢基本一致，說明在空化加劇階段，葉片截面后傾對高速離心泵的影響基本一致。

圖5 不同方案下的空化性能曲線

總體而言，方案θ=2°較其他3 組方案下的高速離心泵空化性能最好，同時(shí)在相同的空化數(shù)σ下高速離心泵的揚(yáng)程也略有提高，說明在空化數(shù)σ大于臨界空化數(shù)時(shí)，方案θ=2°下的高速離心泵空化性能最好。

3.2 流道內(nèi)空泡發(fā)展

圖6 為4 組誘導(dǎo)輪方案下空化數(shù)σ分別為6.14、4.58、3.02、2.09、1.46、0.84、0.68 下的流道空泡體積分布圖，其中空泡分布等值面采用10%的空泡體積分?jǐn)?shù)。

1）空化初生階段，如圖6（a）—（c）所示。此階段空化數(shù)σ分別為6.14、4.58、3.02。由圖可以看出，誘導(dǎo)輪葉片背面進(jìn)口邊與輪緣相交的位置出現(xiàn)了小范圍片狀空化，且隨著空化數(shù)σ的減小，該處的空泡沿著與誘導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)相反的方向蔓延。分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象原因是由于受流體離心力的作用，空泡向誘導(dǎo)輪輪緣及壁面處聚集，且高速離心泵的轉(zhuǎn)速較高（30 000 r/min），輪緣半徑較小，導(dǎo)致輪緣處的圓周速度高達(dá)62 m/s，同時(shí)流道中心到輪緣壁面的壓力梯度過大，從而使葉片輪緣與葉片進(jìn)口邊相交處非常容易發(fā)生空化。通過對比圖6（c），發(fā)現(xiàn)方案θ=2°中誘導(dǎo)輪進(jìn)口邊輪緣處的空泡分布最少，工作面基本無空泡分布。如圖6（c）中紅線圈標(biāo)識(shí)所示，θ=4°、6° 方案的葉片工作面出現(xiàn)少許空泡，說明誘導(dǎo)輪葉片軸截面安放角的改變，在小范圍內(nèi)調(diào)整了葉片安放角與液流角的匹配，改善了高速離心泵誘導(dǎo)輪的空化性能，但是截面后傾過大就會(huì)導(dǎo)致高速離心泵的空化性能惡化。

2）空化發(fā)展階段，如圖6（d）—（e）所示。此階段空化數(shù)σ分別為2.09、1.46。由圖可以看出，誘導(dǎo)輪葉片背面進(jìn)口邊與輪緣相交處的空化區(qū)域沿著與誘導(dǎo)輪旋向相反的輪緣區(qū)域位置繼續(xù)蔓延堆疊，同時(shí)空泡沿著葉片背面從輪緣向輪轂處蔓延，形成空化狹長區(qū)，葉片工作面的空泡從進(jìn)口邊向流道內(nèi)發(fā)展形成片狀空泡區(qū)。當(dāng)空化數(shù)σ為2.09 時(shí)，誘導(dǎo)輪上游的空泡為狹長帶狀空泡，空化數(shù)σ下降到1.46 時(shí)，誘導(dǎo)輪上游的空泡發(fā)展為與誘導(dǎo)輪旋向一致的環(huán)狀空泡，該環(huán)狀空泡體積大，占據(jù)了誘導(dǎo)輪上游大片區(qū)域。輪緣處堆疊的空泡是由于受輪轂側(cè)流體離心力的作用聚集在輪緣側(cè)，減少了空泡對整個(gè)流道的堵塞。而誘導(dǎo)輪上游的空泡是受旋渦區(qū)的影響而出現(xiàn)的，旋渦區(qū)的出現(xiàn)是由于葉片工作面與背面的壓差較大而在葉頂間隙處產(chǎn)生的回流及誘導(dǎo)輪自身旋轉(zhuǎn)引起的誘導(dǎo)速度與主流相互作用產(chǎn)生的?？张菀灾芟蛐D(zhuǎn)的形式環(huán)形分布，說明主流將與其速度方向相反的回流挾帶回誘導(dǎo)輪時(shí)，在主流與回流相互作用的區(qū)域出現(xiàn)較大的壓力梯度，導(dǎo)致能量損失，產(chǎn)生空間扭曲的空泡。對比4 組方案的空泡分布圖，可以發(fā)現(xiàn)方案θ=2°中空泡分布明顯最少，說明在一定范圍內(nèi)改變截面后傾角對高速離心泵的空化有一定的改善作用。

3）空化加劇階段，如圖6（f）—（g）所示。當(dāng)空化數(shù)σ為0.84 時(shí)，葉片工作面和背面的空泡分布急劇增加，向流道內(nèi)部發(fā)展，工作面與背面的空泡凝結(jié)在一起，充滿整個(gè)誘導(dǎo)輪流道，同時(shí)誘導(dǎo)輪上游的回流渦消失。這是由于受葉片上覆蓋的空泡影響，誘導(dǎo)輪的做功能力下降，導(dǎo)致葉頂間隙的回流減少，對誘導(dǎo)輪上游主流的影響減小，從而導(dǎo)致回流渦消失。當(dāng)空化數(shù)σ降為0.68 時(shí)，流道嚴(yán)重堵塞，并且流道內(nèi)空泡繼續(xù)向誘導(dǎo)輪后部發(fā)展。說明空化數(shù)σ下降到一定程度時(shí)，誘導(dǎo)輪流道已完全空化，并失去做功能力，發(fā)生空化斷裂，誘導(dǎo)輪不能給葉輪進(jìn)口提供足夠的能量，導(dǎo)致葉輪葉片進(jìn)口也出現(xiàn)空泡。

在空化數(shù)σ為3.02、2.09、1.46 時(shí)，4 組方案下誘導(dǎo)輪流道空泡分布差異最大，方案θ=2°中空泡分布最少，說明在臨界空化數(shù)以前，葉片軸截面后傾角方案θ=2°的空化性能最好。因?yàn)樵谡T導(dǎo)輪的初始設(shè)計(jì)中，誘導(dǎo)輪進(jìn)口為法向進(jìn)口，而在實(shí)際中由于葉頂間隙回流及高速誘導(dǎo)輪本身的高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)對上游流體產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，進(jìn)口存在圓周方向的分量。這將使實(shí)際輪緣處的進(jìn)口液流角比初始設(shè)計(jì)中的進(jìn)口液流角大，且沖角減小，導(dǎo)致流體進(jìn)入誘導(dǎo)輪的流動(dòng)狀態(tài)變差或產(chǎn)生負(fù)沖角，容易發(fā)生空化。將葉片軸截面后傾時(shí)，會(huì)略微增大進(jìn)口輪緣安放角，增大沖角，改善液流角與葉片安放角的匹配，使誘導(dǎo)輪葉片安放角趨于空化性能更好的范圍，但是葉片軸截面后傾角度過大時(shí)，沖角過大也使空化性能變差。

圖6 流道內(nèi)空泡體積分布

3.3 誘導(dǎo)輪軸截面后傾對誘導(dǎo)輪葉片安放角及高速離心泵外特性的影響

圖7 所示為葉片軸截面后傾對誘導(dǎo)輪進(jìn)出口輪緣輪轂安放角的影響。定義葉片型線進(jìn)出口切線與旋轉(zhuǎn)方向相反的夾角為葉片安放角，進(jìn)出口安放角分別為β1、β2，如圖7 所示。結(jié)合誘導(dǎo)輪進(jìn)出口輪緣輪轂安放角的變化對高速離心泵的空化性能及外特性進(jìn)行分析，對比4 個(gè)方案下誘導(dǎo)輪的進(jìn)出口的輪緣輪轂安放角，發(fā)現(xiàn)隨著葉片軸截面后傾角的增大，進(jìn)口安放角的變化程度要比出口大，進(jìn)口輪緣安放角呈增大趨勢，且增大速度先快后慢，而進(jìn)口輪轂安放角呈下降趨勢，且下降速度先慢后快。出口輪緣輪轂安放角隨著葉片軸截面后傾角的變化很小，這樣可以減小誘導(dǎo)輪出口對進(jìn)入葉輪液流狀態(tài)的影響。因?yàn)樵谡T導(dǎo)輪的初始設(shè)計(jì)中，誘導(dǎo)輪進(jìn)口為法向進(jìn)口，而在實(shí)際中由于葉頂間隙回流及高速誘導(dǎo)輪本身的高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)對上游流體產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，進(jìn)口是存在圓周方向的分量的。這將使實(shí)際輪緣處的進(jìn)口液流角比初始設(shè)計(jì)中的進(jìn)口液流角大，且沖角減小，導(dǎo)致流體進(jìn)入誘導(dǎo)輪的流動(dòng)狀態(tài)變差或產(chǎn)生負(fù)沖角，容易發(fā)生空化。將葉片軸截面后傾時(shí)，會(huì)略微增大進(jìn)口輪緣安放角，增大沖角，改善液流角與葉片安放角的匹配，使誘導(dǎo)輪葉片安放角趨于空化性能更好的范圍，但是將葉片軸截面后傾角度過大時(shí)，沖角過大也使空化性能變差。

圖7 誘導(dǎo)輪軸截面后傾對進(jìn)出口安放角的影響

圖8 為不同工況下4 個(gè)方案的高速離心泵外特性曲線。由圖可以看出：在小流量工況點(diǎn)（0.6Qd），數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比于試驗(yàn)結(jié)果，泵揚(yáng)程的最大誤差為2.6%，泵效率的最大誤差為11%；其他工況下泵揚(yáng)程與效率的誤差均不超過2%。這說明誘導(dǎo)輪葉片截面在子午面后傾可以改善泵的空化性能，但對泵的外特性影響很小，這也說明改變誘導(dǎo)輪葉片截面后傾角對葉片的做功能力基本無影響。

圖8 不同工況下4 個(gè)方案的外特性曲線

4 誘導(dǎo)輪內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換

通過等距切割誘導(dǎo)輪流道的方法，分析誘導(dǎo)輪內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程。在誘導(dǎo)輪流道內(nèi)設(shè)置6 個(gè)截面，均垂直于軸面，截面間距為5 mm，分別用字母a、b、c、d、e、f 表示，a 截面位于誘導(dǎo)輪進(jìn)口處，f 截面位于誘導(dǎo)輪出口處，如圖9 所示。讀取不同方案下及不同空化數(shù)σ時(shí)6 個(gè)截面上的總壓，繪制同一方案不同空化數(shù)及同一空化數(shù)不同方案誘導(dǎo)輪流道內(nèi)截面壓力分布圖，分析在空化數(shù)下降過程中不同后傾角方案誘導(dǎo)輪流道內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換。

圖9 誘導(dǎo)輪流道等距切割示意圖

圖10 為θ=2°時(shí)在不同空化數(shù)σ下6 個(gè)等距截面上的總壓變化圖。從圖中可以看出誘導(dǎo)輪流道內(nèi)不同空化狀態(tài)對誘導(dǎo)輪內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的影響。位于誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口位置的截面a 和b 的總壓幾乎不變，說明進(jìn)口邊的葉片幾乎不做功。截面b 到c 的總壓上升的斜率最大，說明葉片進(jìn)口邊與輪緣相交處的葉片做功能力最優(yōu)。這是由于誘導(dǎo)輪是圓錐形，輪轂直徑從進(jìn)口到出口遞增，這兩個(gè)截面之間的葉片做功面積相對最大。c、d、e 截面位于誘導(dǎo)輪中間段，總壓上升的趨勢基本一致，說明葉片做功能力的大小也基本一致。葉片出口邊位于截面e、f 之間，總壓上升趨勢緩慢，并趨于平坦，說明靠近葉片出口邊部分做功較少。

圖10 θ=2°方案不同σ 值誘導(dǎo)輪流道不同截面總壓分布

在空化發(fā)展的初始階段，隨著σ值的下降，各截面上的總壓以同一趨勢下降，說明在空化初生階段，空化對誘導(dǎo)輪內(nèi)影響不大。σ值小于1.46 之后，截面c 處的總壓下降較快，結(jié)合流道空泡分布，截面c 位于葉片進(jìn)口邊與輪緣相交靠后的位置。該位置是最容易發(fā)生空化的地方，流道靠近壁面處容易凝聚大量空泡，導(dǎo)致葉片做功能力變差，同時(shí)壓力降低?？栈瘮?shù)σ繼續(xù)降低時(shí)，總壓發(fā)生突降，這是由于誘導(dǎo)輪內(nèi)的空泡大量凝聚潰滅并堵塞流道導(dǎo)致的。當(dāng)空化數(shù)σ降到0.84 時(shí)，靠近誘導(dǎo)輪前部與中部截面上的壓力發(fā)生突降。這是由于空泡發(fā)展到誘導(dǎo)輪流道中部，葉片背面與工作面的空泡凝結(jié)在一起，充滿整個(gè)流道，使誘導(dǎo)輪失去做功能力，所以靠近誘導(dǎo)輪進(jìn)口的截面c 的總壓與進(jìn)口處截面a、b 的總壓相差不大。誘導(dǎo)輪的增壓主要發(fā)生在誘導(dǎo)輪葉片靠近出口的位置，由于誘導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速過高，空泡受液體離心力作用聚集在輪緣靠近壁面處，使得靠近誘導(dǎo)輪后部輪轂處的葉片有一定做功能力。

圖11 為空化數(shù)σ為1.46 時(shí)4 個(gè)方案下各個(gè)截面上總壓變化曲線。從圖中可以看出4 個(gè)方案從a 截面到f 截面總壓的變化趨勢基本一致，說明誘導(dǎo)輪葉片后傾角的改變對誘導(dǎo)輪能量轉(zhuǎn)換影響較小。但是在誘導(dǎo)輪葉片的做功區(qū)，θ=2°方案的各個(gè)截面上的總壓高于其他方案。結(jié)合該空化數(shù)下流道內(nèi)的空泡分布，空泡分布最少的θ=2°方案中誘導(dǎo)輪的做功能力最強(qiáng)，說明在空化狀態(tài)下，空泡附著在葉片且占據(jù)流道面積時(shí)會(huì)影響誘導(dǎo)輪的能量轉(zhuǎn)換。

圖11 不同方案下不同流道截面總壓分布

5 結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，研究誘導(dǎo)輪葉片截面在子午面內(nèi)后傾角變化對高速離心泵空化性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）誘導(dǎo)輪葉片截面后傾角在一定范圍內(nèi)變化會(huì)改善高速離心泵的空化性能，但是過大的葉片軸截面后傾角，反而會(huì)使泵的空化性能惡化，葉片軸截面后傾角對于泵的空化性能影響有最優(yōu)值，因此葉片軸截面在一定范圍內(nèi)后傾角可以使泵的空化性能更為優(yōu)異。本研究中的高速離心泵在葉片軸截面后傾角θ=2°時(shí)泵可以獲得最好的空化性能。

2）從空泡分布等值面可以看出，θ=2°方案中各空泡分布最少，從輪緣到輪轂處的速度變化梯度最小，誘導(dǎo)輪上游相對速度較大的區(qū)域面積也最小?？栈阅芨纳频脑?yàn)椋寒?dāng)葉片軸截面后傾時(shí)，會(huì)使誘導(dǎo)輪進(jìn)口葉片輪緣安放角增大，彌補(bǔ)由于實(shí)際輪緣處的進(jìn)口液流角比理論設(shè)計(jì)中的進(jìn)口液流角大而導(dǎo)致沖角減小甚至產(chǎn)生負(fù)沖角的誤差。改善液流角與葉片安放角的匹配，使誘導(dǎo)輪葉片安放角趨于空化性能更好的范圍，但是葉片軸截面后傾角度過大時(shí)，沖角過大或?yàn)樨?fù)也使空化性能變差。誘導(dǎo)輪葉片截面的后傾可以改善泵的空化性能，但是對泵外特性基本無影響。

3）誘導(dǎo)輪葉片軸截面后傾角變化對誘導(dǎo)輪內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的影響較小。誘導(dǎo)輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換差異主要是誘導(dǎo)輪的空化程度不一樣導(dǎo)致的，空化發(fā)展到一定程度會(huì)影響誘導(dǎo)輪的做功能力，θ=2°方案中的空化性能最好，其誘導(dǎo)輪做功能力最好。