Influence of an Inlet Rotating Axial Device on the Cavitation Processes in a Low Specific Speed Centrifugal Pump

Abstract

Робота присвячена аналізу кавітаційних процесів у проточній частині відцентрового насоса. Нова концепція двопотічного герметичного насоса потребує застосування спеціального підвідного пристрою, що входить до складу обертаючих елементів електродвигуна. Проаналізовано чотири моделі осьового підвідного пристрою. Перша є базовою і має циліндричну форму з незначною дифузорністю та конусом перед робочим колесом. Інші три мають нерухомий конус, який є частиною корпусу, а також прямолінійну і дифузорну ділянки, що обертаються з частотою обертання вала насоса, а також обтічник сферичної форми. Дослідження проведено за допомогою фізичного експерименту і числового моделювання. Аналіз результатів показує, що насос із базовим підвідним пристроєм має кавітаційний запас вище середньостатистичного для подібної геометрії. Кавітаційні характеристики насоса, отримані числовим моделюваням і шляхом проведення фізичного експерименту, мають подібні форми, проте останні мають вищі значення. Кавітація у робочому колесі починається раніше, ніж в осьовому підвідному пристрої. Кавітаційні зони в осьовому підвідному пристрої розташовані після звуження поперечного перерізу – на початку дифузорної ділянки і біля обтічника на виході з дифузора. Кавітаційна зона, що знаходиться після конфузору, відривається від стінок осьового підвідного пристрою. При зменшенні діаметра в осьовому підвідному пристрої через втрати напору в ньому відбувається підвищення значення кавітаційного запасу.

Статья посвящена анализу кавитационных процессов в проточном сечении низкоскоростного центробежного насоса. Новая концепция герметичного насоса с двойным входом приводит к применению входного устройства специальной формы, которое является частью вращающегося элемента электродвигателя. Были приняты во внимание четыре геометрические модели осевого впускного устройства. Первая модель, рассматриваемая как эталонная и базовая, имеет цилиндрическую форму с небольшим диффузором и конусом спереди на рабочем колесе. Другие три модели состоят из неподвижного конуса, который был частью корпуса, прямой трубы и секции диффузора, вращающейся аналогично рабочему колесу, и сферического обтекателя. Исследование проводилось с использованием физических экспериментов и численного моделирования рабочего процесса в программной среде ANSYS CFX. Анализ результатов показывает, что насос с базовой моделью впускного устройства имеет NPSH на 3% выше среднего значения. Сравнение CFD и эксперимента по форме кавитационных кривых показало его сходство, но определенные с помощью физического эксперимента имеют более высокие значения. Кавитация в рабочем колесе начинается раньше, чем в осевом впускном устройстве. Зоны кавитации в осевом впускном устройстве расположены после конуса, в начале секции диффузора и вблизи обтекателя на выходе из секции диффузора. Зона кавитации, которая расположена за конусом, отделена от стенок осевого впускного устройства. Значение NPSH на 3% увеличивается, когда диаметр осевого впускного устройства уменьшается, в результате подъема головки теряется во впускной конструкции.

The paper is devoted to the analysis of the cavitation processes in the flow section of the low specific speed centrifugal pump. A new conception of double-entry hermetic pump leads to the application of special shaped inlet device, which is a part of an electrical motor rotating element. Four flow geometrical models of the axial inlet device were taken into consideration. The first model, treated as referential and basic, has a cylindrical shape with small diffuser and a cone in front on the impeller. Other three models consist of the motionless cone, which was part of the housing, straight pipe, and diffuser section rotating analogously to the impeller and a spherical fairing. The research was conducted using physical experiments and numerical simulations of the workflow in the ANSYS CFX software environment. The analysis of the results shows that the pump with the basic model of the inlet device has NPSH 3 % above the average values. The comparison between CFD and experiment of the cavitation curves shape showed its similarity but determined by means of the physical experiment have higher values. Cavitation in the impeller starts earlier than in the axial inlet device. The zones of the cavitation in the axial inlet device are located after the cone, at the beginning of the diffuser section and near the fairing at the outlet of the diffuser section. The cavitation zone, which is located after the cone, is separated from the walls of the axial inlet device. The value of the NPSH 3 % increases, when the diameter of the axial inlet device decreases, as the result of the raise of head loses in the inlet structure.