朱圣良 袁春燕 莊 明 陸小飛 劉曉東

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著低溫工質(zhì)如液氧、液氮、液氦等在工業(yè)及科研中的應(yīng)用日益廣泛，用于其輸運(yùn)的低溫液體泵的應(yīng)用也越多。低溫液體泵泵送工質(zhì)溫度極低，為保證輸運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，要求低溫液體泵具有高效率、低漏熱、高可靠性等特點(diǎn)。在諸多超導(dǎo)體強(qiáng)迫對流冷卻應(yīng)用場合如高溫超導(dǎo)電纜、大型超導(dǎo)磁體冷卻等應(yīng)用中，由于冷卻對象熱負(fù)荷不大，而其長度方向較長，其對低溫液體泵的需求為高揚(yáng)程而小流量，如果此時(shí)泵采用常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，那么泵此時(shí)對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速較小，此時(shí)離心泵效率較低?？紤]到部分流泵在低比轉(zhuǎn)速下效率較高、軸承選擇要求較低、加工容易的特點(diǎn)［1］，參考 Barber－Nichols 公司為 EAST 提供的超臨界氦循環(huán)泵實(shí)體模型，設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)部分流式液氮泵，在設(shè)計(jì)中，為了減少泵體漏熱，采用了延伸軸長設(shè)計(jì)，同時(shí)為減少環(huán)境溫度與低溫環(huán)境輻射換熱，沿軸長方向設(shè)置了多塊防輻射屏。泵的設(shè)計(jì)過程及模擬分析詳見文獻(xiàn)［2］。液氮泵的設(shè)計(jì)參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1、表2所示，泵的組裝后如圖1所示。

表1 液氮泵設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of liquid nitrogen pump

表2 泵結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Dimensions of pump housings

圖1 液氮泵組裝圖Fig.1 Photo of test pump

2 測試平臺(tái)

低溫液體泵的實(shí)際性能需要通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測得到。為完成相關(guān)測試，搭建了一套測試平臺(tái)，通過相關(guān)的測試實(shí)驗(yàn)測定泵的水力特性，包括不同轉(zhuǎn)速下流量揚(yáng)程特性，流量效率特性等。參考?xì)W洲核子中心CERN的ATLAS磁體所用液氦泵測試系統(tǒng)［3］，設(shè)計(jì)的泵測試平臺(tái)流程如圖2所示。

圖2 低溫液體泵測試平臺(tái)流程Fig.2 Schematic diagram of pump test apparatus

測試平臺(tái)中，容器1、2通過發(fā)泡材料包裹，低溫管道、閥門等也都外包了絕熱材料以減少漏熱。泵豎直安裝在容器1上，實(shí)驗(yàn)時(shí)泵啟動(dòng)后從容器1中抽出液氮，通過管道、閥門及相關(guān)測量儀器進(jìn)入更高的容器2中，液體由于重力差從容器2中經(jīng)過可調(diào)節(jié)流量的閥門返回容器1，完成整個(gè)循環(huán)過程。

泵由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，泵轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)，變頻器調(diào)節(jié)頻率20 Hz—110 Hz對應(yīng)泵轉(zhuǎn)速1 200—6 600 r/min。測試過程中，改變泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，測定泵在不同轉(zhuǎn)速下不同流量情況下泵的性能參數(shù)，得到泵的完整特性表現(xiàn)。

試驗(yàn)中，流量計(jì)為GPI產(chǎn)渦輪流量計(jì)，準(zhǔn)確度為±0.5%;壓力測量采用電容式壓力變送器，準(zhǔn)確度為±0.075%，溫度計(jì)采用鉑電阻溫度計(jì)Pt100。

3 測試結(jié)果

3.1 揚(yáng)程特性

向容器1中灌注液氮，調(diào)整液氮液位，當(dāng)液位高于葉輪0.2 m時(shí)，泵能順利啟動(dòng)。通過調(diào)節(jié)出口閥和電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成了液氮測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的測得的流量－揚(yáng)程特性曲線如圖3所示，實(shí)驗(yàn)與預(yù)測揚(yáng)程對比如圖4。

圖3 泵流量-揚(yáng)程特性曲線Fig.3 Head rise vise flow rate of pump at different speeds

圖4 實(shí)驗(yàn)與預(yù)測揚(yáng)程對比Fig.4 Test and predicted head rise of pump

從測得的泵流量揚(yáng)程特性曲線來看，泵在小轉(zhuǎn)速時(shí)揚(yáng)程與數(shù)值計(jì)算值較為吻合，同時(shí)泵的流量范圍內(nèi)的揚(yáng)程變化很小，與預(yù)測值及部分流泵理論分析［4］一致;但當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速提高至3 600 r/min以上后，泵的實(shí)測揚(yáng)程要遠(yuǎn)低于預(yù)測值，且泵的揚(yáng)程隨流量增大衰減明顯，同時(shí)也觀察到泵工作產(chǎn)生的的噪聲隨轉(zhuǎn)速提高增大明顯的現(xiàn)象。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液位超過葉輪0.15 m以上泵才能順利啟動(dòng)，在液位較低時(shí)，泵的出口為氮?dú)饣虿环€(wěn)定的氣液混合物。以上信息表明，在轉(zhuǎn)速較高的測試試驗(yàn)過程中，泵內(nèi)產(chǎn)生了嚴(yán)重氣蝕過程，該過程急劇的抑制泵的性能并使泵產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)。

為評(píng)價(jià)泵的氣蝕特性，并甄別泵在高轉(zhuǎn)速下?lián)P程偏離設(shè)計(jì)值的真實(shí)原因，通過提高泵的空化系數(shù)以排除泵內(nèi)氣蝕現(xiàn)象，考察泵在無氣蝕狀況下運(yùn)行情況。由空化系數(shù)定義:

式中:Pin為入口壓力，Pv為工質(zhì)入口條件下的汽化壓力，H為泵的理論揚(yáng)程。

由式(1)可知，在高轉(zhuǎn)速下提高泵的空化系數(shù)最有效的方法是提高泵入口壓力或降低工質(zhì)汽化壓力，考慮到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件中提高泵入口壓力實(shí)現(xiàn)較為困難，更換泵送工質(zhì)以提高汽化壓力的方法將被采用。替代工質(zhì)選擇常溫水，300 K下水的汽化壓力約為3 500 Pa，相比液氮在101.325 kPa左右的入口壓力下，該泵采用水工質(zhì)后的空化系數(shù)將大幅提高，從而避免泵內(nèi)發(fā)生氣蝕。

為此，以水為工質(zhì)在液氮泵測試平臺(tái)中進(jìn)行相應(yīng)的測試實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，重復(fù)液氮測試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到水測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)中也觀察到，水試驗(yàn)產(chǎn)生的噪音要小于液氮實(shí)驗(yàn)，在高轉(zhuǎn)速下差別更為明顯，這也表明液氮試驗(yàn)中巨大噪聲是由氣蝕引起。

圖5 泵水試驗(yàn)流量揚(yáng)程特性Fig.5 Characteristic curves of water test for pump

圖6為水測試實(shí)驗(yàn)得到的揚(yáng)程特性與水的數(shù)值模擬得到的揚(yáng)程特性對比，從圖中可以觀察到測試實(shí)驗(yàn)值均低于數(shù)值模擬值。考慮到實(shí)際運(yùn)行中，異步變頻電機(jī)存在一定轉(zhuǎn)差率，即泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率要略低于變頻器輸出頻率，普通變頻電機(jī)轉(zhuǎn)差率約為1%—6%，采用4%的轉(zhuǎn)差率修正揚(yáng)程測試值，反映在圖6中，從圖中可以看出，兩者間的差距有一定縮小，最大誤差在10%以內(nèi)。

圖6 水試驗(yàn)與模擬值比較Fig.6 Test and predicted head rise of water test for pump

3.2 氣蝕特性

氣蝕現(xiàn)象是流動(dòng)液體內(nèi)氣泡的迅速產(chǎn)生并潰滅的現(xiàn)象，空泡潰滅時(shí)，液體將產(chǎn)生沖擊速度很高的微射流，對葉輪材料有較大沖擊破壞，并減弱泵的效率和做功能力，引起振動(dòng)、產(chǎn)生巨大噪音。在液氮實(shí)驗(yàn)中，泵的入口壓力相對液氮飽和壓力只有約0.2 m的壓頭，因此進(jìn)入泵內(nèi)的液氮極易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，該過程將破壞泵內(nèi)液體流動(dòng)的連續(xù)性，影響流道內(nèi)速度分布，導(dǎo)致泵的揚(yáng)程的下降［5］。在試驗(yàn)中，在高轉(zhuǎn)速的大流量區(qū)域，泵的揚(yáng)程下降明顯，這與氣蝕加劇有關(guān)，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速和流量增加時(shí)，液氮進(jìn)入泵內(nèi)的損失增加，泵內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓增長迅速，因此氣蝕也越嚴(yán)重，致使泵揚(yáng)程嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值［6］。

由于低溫液體泵工作的空化系數(shù)通常較低，在運(yùn)行中氣蝕也是常見的現(xiàn)象，為此需要實(shí)測給出泵的氣蝕特性。由于在試驗(yàn)中引入了兩種工作介質(zhì)，并且測試實(shí)驗(yàn)中泵的運(yùn)行在多個(gè)工作轉(zhuǎn)速下，無量綱參數(shù)將被引入以評(píng)價(jià)泵的氣蝕特性。引入的無量綱參數(shù)包括空化系數(shù)σ，流量系數(shù)φ及壓力系數(shù)ψ，其中流量系數(shù)及壓力系數(shù)的定義為:

式中:qv為體積流量;D為葉輪直徑;H為實(shí)際揚(yáng)程;n為泵轉(zhuǎn)速。

圖7 泵無量綱空化特性Fig.7 Non-demensional cavitation characteristic of pump

通過實(shí)驗(yàn)完成的氣蝕特性曲線如圖7所示。從圖中可以看出，泵在空化數(shù)大于0.1時(shí)，泵不同流量系數(shù)下的壓力系數(shù)變化不大，空化數(shù)小于0.012 6時(shí)，泵的壓力系數(shù)衰減迅速，這說明此時(shí)空化已經(jīng)比較嚴(yán)重，影響了泵的揚(yáng)程表現(xiàn)。根據(jù)相似性準(zhǔn)則，可以認(rèn)為當(dāng)空化系數(shù)大于0.012 6時(shí)，泵不產(chǎn)生氣蝕或產(chǎn)生的氣蝕對泵揚(yáng)程影響不大。因此，為滿足泵內(nèi)不發(fā)生氣蝕的要求，低溫液體泵泵送77.4 K液氮時(shí)，其入口壓力應(yīng)大于0.109 MPa，或者泵送工質(zhì)應(yīng)為101.325 kPa壓力下，溫度低于76.6 K的過冷液氮。另外從圖中也可以看出，不同流量系數(shù)下，壓力系數(shù)變化不大，這也反映了部分流泵揚(yáng)程與流量變化關(guān)系不大的特性。

4 結(jié)語

實(shí)測了設(shè)計(jì)加工的長軸式部分流低溫液氮泵的揚(yáng)程、氣蝕特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在空化系數(shù)較大，泵內(nèi)無空化時(shí)，泵的揚(yáng)程與預(yù)測值相符，泵在6 600 r/min時(shí)能達(dá)到71 m的揚(yáng)程;當(dāng)空化數(shù)小于0.012 6時(shí)，泵內(nèi)氣蝕開始影響泵的揚(yáng)程特性，使其偏離設(shè)計(jì)值，同時(shí)氣蝕將使泵發(fā)生較大的噪聲和振動(dòng)。針對氣蝕現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的運(yùn)行建議以改善氣蝕帶來的影響。

另外由于泵耗功尚未能準(zhǔn)確測量，因此相關(guān)的泵效率特性將有待進(jìn)一步完成。

1 張小偉，白紅宇.部分流超臨界氦循環(huán)泵特性分析［J］.低溫工程，2005，146(4):24－28.

2 朱圣良，袁春燕，莊 明，等.低溫液體泵設(shè)計(jì)及模擬分析［C］.第十屆全國低溫工程大會(huì)，蘭州，2011.

3 Pengo R，Junker S，Passardi G，et al.Test results of a 1.2kg/s centrifugal liquid helium pump for the ATLAS superconducting Toroid Magnet System ［C］.19th International Cryogenic Engineering Conference(ICEC19).Grenoble，F(xiàn)rance:2002.71－74.

4 沈陽水泵研究所，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.326－327.

5 Cristina Bramanti.Experimental study of cavitation and flow instabilities in space rocket turbopumps and hydrofoils［D］.Pisa，Italy:Ph.D.Dissertation of University of Pisa.2006.20－30.

6 蔡兆麟.能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)［M］.北京:中國電力出版社，2004.85－90.