張弋揚(yáng)，賈瑞旗，閆 宇，張智彬

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

離心泵葉輪與泵蓋的間隙變化對(duì)運(yùn)行性能影響的研究

張弋揚(yáng)，賈瑞旗，閆 宇，張智彬

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

離心泵應(yīng)用廣泛，從工程實(shí)際和模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，離心泵內(nèi)各種間隙的存在是產(chǎn)生泄漏損失、影響離心泵效率的重要原因。本文以單級(jí)單吸式離心泵為研究對(duì)象，通過(guò)模型試驗(yàn)研究葉輪與泵蓋的間隙變化對(duì)運(yùn)行性能的影響。這對(duì)工程實(shí)際中離心泵安全、節(jié)能運(yùn)行具有重要的意義。

離心泵；間隙；運(yùn)行性能；試驗(yàn)

1 引言

離心泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)及城市給排水等眾多領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位。其中，離心泵的能耗約占全國(guó)發(fā)電總量的1/12[1]，所以提高離心泵的效率、節(jié)約能源是本行業(yè)的重要目標(biāo)。離心泵的種類很多，存在著各種間隙且間隙大小各不相同。從工程和試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)離心泵的間隙對(duì)性能影響明顯，不合理的間隙值會(huì)造成不必要的泄漏損失和液體內(nèi)部的漩渦流動(dòng)等，都會(huì)降低離心泵的效率，對(duì)其運(yùn)行性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

離心泵內(nèi)的主要間隙有：口環(huán)間隙、葉頂間隙和葉輪與泵蓋的間隙等。其中對(duì)離心泵葉輪口環(huán)間隙和葉頂間隙[2-4]的研究開(kāi)展較多且深入。研究表明泄漏損失是由于離心泵葉輪與口環(huán)密封之間存在的間隙造成的，對(duì)離心泵的性能產(chǎn)生重要影響。但是對(duì)于大型離心式泥泵不存在口環(huán)密封，而是靠泵前蓋和葉輪進(jìn)口端面進(jìn)行密封。雖然與口環(huán)密封原理相似但結(jié)構(gòu)差異很大，目前還沒(méi)有這方面的試驗(yàn)和數(shù)值模擬的文獻(xiàn)可以參考。所以研究泵蓋和葉輪進(jìn)口端面的間隙變化對(duì)離心泵性能的影響，是離心泵安全、節(jié)能運(yùn)行必要的技術(shù)支持，具有重要的意義和創(chuàng)新性。

本文的研究對(duì)象是單級(jí)單吸式離心泵，通過(guò)改變?nèi)~輪與泵前蓋的間隙值分別進(jìn)行試驗(yàn)，以研究間隙對(duì)離心泵運(yùn)行性能的影響；模型試驗(yàn)在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司的水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，按照設(shè)計(jì)方案針對(duì)間隙小于0.01mm的微間隙和間隙0.1mm、0.22mm、0.42m、0.62mm進(jìn)行了離心泵效率、空化試驗(yàn)。在效率試驗(yàn)的同時(shí)，同步采集了各工況的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

2 離心泵間隙變化模型結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 離心泵間隙變化模型結(jié)構(gòu)

圖1 模型泵裝配圖

圖2 模型轉(zhuǎn)輪照片

圖1為離心泵模型裝配圖，模型由泵體、葉輪、泵前蓋、后護(hù)板、密封部分和軸承組件等組成。圖2為模型泵葉輪照片，葉片數(shù)為3，葉輪進(jìn)口直徑為174.5mm。

試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整模型泵軸承組件的位置來(lái)改變?nèi)~輪與泵前蓋之間的間隙。其中后護(hù)板與泵前蓋之間的距離為109mm,葉輪寬度為106.8mm。因此，葉輪在后護(hù)板和泵前蓋之間形成的間隙值為2.2mm。如圖3所示：液體能從葉輪與泵前蓋的間隙f重新流入葉輪進(jìn)口，但是不能從葉輪與后護(hù)板的間隙b回流；所以，影響離心泵性能的主要是葉輪與前蓋板的間隙f。

圖3 模型間隙示意圖

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行離心泵間隙變化模型試驗(yàn)，需要在傳統(tǒng)性能模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上針對(duì)間隙變化測(cè)試的特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)是通過(guò)調(diào)節(jié)模型泵軸承組件來(lái)改變?nèi)~輪與泵前蓋的間隙，故性能試驗(yàn)時(shí)需要調(diào)節(jié)5次間隙，分別進(jìn)行相應(yīng)間隙的性能試驗(yàn)和運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)。所以不僅要在蝸殼上設(shè)置壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)，還需要在泵前蓋不同方位設(shè)置測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)間隙變化對(duì)壓力脈動(dòng)的影響。如圖4所示為各傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖。

在模型泵進(jìn)、出口2倍管徑的位置布置了測(cè)壓環(huán)管，用于揚(yáng)程的測(cè)量。在泵基座位置按照泵的軸向、徑向和垂直方向布置了振動(dòng)傳感器、距離泵軸線1m的位置安放了聲級(jí)計(jì)進(jìn)行噪聲測(cè)試。在泵的蝸殼和泵前蓋上安放了壓力脈動(dòng)傳感器，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。從蝸殼出口開(kāi)始布置測(cè)點(diǎn)，沿蝸殼幾何中心線按照順時(shí)針?lè)较蚍謩e為PBT1~PBT6、在垂直于蝸殼中心平面、靠近蝸舌的位置布置測(cè)點(diǎn)PBT7，泵前蓋上的壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)按照直角坐標(biāo)系方位布置，分別為PQG1~PQG4。

本次試驗(yàn)轉(zhuǎn)速采用1000r/min，故轉(zhuǎn)頻為16.67Hz；轉(zhuǎn)輪共有3葉片，故葉頻約為50.01Hz。由于采樣頻率至少應(yīng)大于最高頻率的40倍才能捕捉完整的信號(hào)，所以采樣頻率至少應(yīng)選用2048Hz。壓力脈動(dòng)和振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果取值方法采用97%置信度進(jìn)行取值，即剔除3%不可信區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，求出混頻雙振峰峰值。

圖4 傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3 離心泵間隙變化對(duì)性能的影響

3.1 不同間隙下的能量試驗(yàn)分析

5個(gè)間隙值能量試驗(yàn)結(jié)果如圖6至圖8所示，分別為不同間隙值的流量-效率試驗(yàn)曲線、流量-揚(yáng)程試驗(yàn)曲線和流量軸功率試驗(yàn)曲線。不同間隙值最優(yōu)工況點(diǎn)的性能參數(shù)如表1所示。

表1 不同間隙下最優(yōu)工況點(diǎn)性能參數(shù)

圖6 不同間隙值的流量效率試驗(yàn)曲線

圖7 不同間隙值的流量揚(yáng)程試驗(yàn)曲線

圖8 不同間隙值的流量軸功率試驗(yàn)曲線

圖6所示為不同間隙下的流量-效率的關(guān)系，可以看出隨間隙增大效率逐漸降低，且間隙越大，效率下降的越多；圖7所示為不同間隙下的流量-揚(yáng)程關(guān)系，隨間隙增大揚(yáng)程逐漸減小，且間隙越大，揚(yáng)程下降的越多；但是軸功率基本不變。這是由于部分流體從葉輪出口經(jīng)過(guò)間隙回流到葉輪進(jìn)口造成的，間隙越大回流越多，容積損失也就越大。所以離心泵的揚(yáng)程和效率成正比例相應(yīng)降低，軸功率基本不受影響。

3.2 不同間隙下的空化試驗(yàn)分析

試驗(yàn)選取了間隙值為f0mm、0，22mm和0.42mm的大流量工況進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。如圖9至圖11所示。

圖9 間隙為f0mm時(shí)大流量工況空化試驗(yàn)曲線

圖10 間隙為0.22mm時(shí)大流量工況空化試驗(yàn)曲線

圖11 間隙為0.42mm時(shí)大流量工況空化試驗(yàn)曲線

從以上圖中可以看出，流量工況為100l/s左右時(shí)，間隙為微間隙f0mm的臨界空化余量NPSHC為1.8m左右；間隙為0.22mm的臨界空化余量NPSHC=1.86m；間隙為0.42mm的臨界空化余量NPSHC=2.381m。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明隨間隙值的增大，空化性能越差。

3.3 不同間隙下的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)分析

圖12 間隙為f0mm時(shí)泵體壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖13 間隙為0.1mm時(shí)泵體壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖14 間隙為0.22mm時(shí)泵體壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖15 間隙為0.42mm時(shí)泵體壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖16 間隙為0.62mm時(shí)泵體壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

從圖12至圖16可以看出：在靠近隔舌處的PBT5和PBT6測(cè)點(diǎn)位置壓力脈動(dòng)值較大，距離泵出口較近的PBT1、PBT2、PBT7測(cè)點(diǎn)位置壓力脈動(dòng)值較小。表2為泵體測(cè)點(diǎn)不同間隙最優(yōu)工況的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)間隙值從f0mm增加至0.22mm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)值逐漸減??；當(dāng)間隙值大于0.22mm后，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)值開(kāi)始增大，但仍小于間隙值為f0mm時(shí)的壓力脈動(dòng)值；當(dāng)間隙值大于0.42mm后，如0.62mm各測(cè)點(diǎn)，壓力脈動(dòng)值又開(kāi)始減小。

表2 泵體測(cè)點(diǎn)不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動(dòng)值

圖17 間隙為f0mm時(shí)泵前蓋壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖18 間隙為0.1mm時(shí)泵前蓋壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖19 間隙為0.22mm時(shí)泵前蓋壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖20 間隙為0.42mm時(shí)泵前蓋壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖21 間隙為0.62mm時(shí)泵前蓋壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

從圖17至圖21可以看出：在靠近隔舌處的PQG1測(cè)點(diǎn)位置壓力脈動(dòng)值較大（距離泵體PBT5和PBT6測(cè)點(diǎn)最近），在各間隙最優(yōu)工況點(diǎn)時(shí)（如各圖中空心圓點(diǎn)所示），均為各測(cè)點(diǎn)位置的較小值。表3為泵體測(cè)點(diǎn)不同間隙最優(yōu)工況的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)間隙值從0mm增加至0.22mm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)值逐漸減??；當(dāng)間隙值大于0.22mm后，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)值開(kāi)始增大，但仍小于微間隙f0mm時(shí)的壓力脈動(dòng)值；當(dāng)間隙值大于0.42mm后，如0.62mm各測(cè)點(diǎn)，壓力脈動(dòng)值又開(kāi)始減小。

表3 泵前蓋不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動(dòng)值

4 結(jié)論

本文給出了葉輪與泵前蓋間隙小于0.01mm時(shí)的微間隙f0mm和間隙值分別為0.1mm、0.22mm、0.42mm和0.62mm的能量性能和運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果，并總結(jié)了5個(gè)間隙下最優(yōu)工況的壓力脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲的規(guī)律。

根據(jù)變間隙的試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：隨間隙增大回流增多，容積損失也就越大，所以效率和揚(yáng)程逐漸降低，且間隙越大，效率和揚(yáng)程下降的越多；但是軸功率基本不變?？栈Y(jié)果表明：隨著間隙值的增大空化性能越差。

泵體的壓力脈動(dòng)值在蝸舌附近最大，且間隙越小壓力脈動(dòng)值越大。泵體壓力脈動(dòng)大的位置對(duì)應(yīng)于泵前蓋相應(yīng)位置的壓力脈動(dòng)值也大，而距離泵出口較近的泵體測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于泵前蓋相應(yīng)位置的壓力脈動(dòng)值則相應(yīng)較小。這說(shuō)明泵體的壓力脈動(dòng)對(duì)葉輪和泵前蓋間隙的壓力脈動(dòng)有很大影響。

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011.

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TV734.4

B

1672-5387（2017）05-0011-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.003

2016-05-15

張弋揚(yáng)（1983-），女，工程師，研究方向：水力模型試驗(yàn)。