趙偉國,蘆維強,劉在倫,2

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院,蘭州 730050;2.蘭州理工大學 溫州泵閥工程研究院,浙江 溫州 325105)

平衡孔直徑對離心泵小流量工況空化特性影響

趙偉國1,2,*,蘆維強1,劉在倫1,2

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院,蘭州 730050;2.蘭州理工大學 溫州泵閥工程研究院,浙江 溫州 325105)

為研究小流量工況低比轉(zhuǎn)速離心泵的空化特性，以一臺降速后的IS80-50-315型離心泵為試驗對象，專門設(shè)計了更換平衡孔直徑的裝置，當平衡孔直徑等于4、6、8和11mm時分別對0.4Qd、0.5Qd、0.6Qd和0.8Qd這4個工況進行測試并分析。結(jié)果表明，葉輪平衡孔直徑增大，泵揚程減小，效率下降。小流量工況下，隨空化數(shù)的減小，不同平衡孔直徑葉輪所受扭矩與泵揚程均出現(xiàn)不同步的陡降，且扭矩有明顯的匍匐變化，這主要是由蝸殼和葉輪之間的動靜干涉引起的；同一空化數(shù)下加大平衡孔直徑，揚程系數(shù)增加，葉輪軸向力減小，離心泵的抗空化性能增強；同一平衡孔直徑下流量越小，離心泵越不易發(fā)生空化，但隨著離心泵內(nèi)空化的產(chǎn)生和發(fā)展，泵腔內(nèi)液體壓力的下降速率先增大后減小，葉輪軸向力具有先趨于平坦后急劇增加的規(guī)律。從抑制空化和減小軸向力的角度，提出平衡孔直徑在6～8mm較為合適。

離心泵；小流量工況；平衡孔直徑；空化特性；軸向力；試驗

0 引 言

低比轉(zhuǎn)速離心泵在小流量工況運行時，由于葉片包角過大、流道狹窄以及葉輪進、出口位置的液體流動狀態(tài)遭到破壞等，導致其進、出口處產(chǎn)生回流現(xiàn)象[1]；當回流旋渦區(qū)域的局部壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，就會發(fā)生空化，這使得離心泵內(nèi)部流動更加紊亂，泵揚程、效率降低；當空化進一步發(fā)展時，離心泵及其連接管路還會產(chǎn)生強烈的振動和噪聲，嚴重時可導致軸承破壞及泵軸斷裂[2-3]。在工程實際中，離心泵的安全穩(wěn)定運行是重中之重，但小流量工況下的空化會對泵的運行穩(wěn)定性造成極大威脅。截止目前，針對小流量工況下低比轉(zhuǎn)速離心泵空化特性的研究已成為國內(nèi)外研究的重點和難點[4-5]。盧加興等人[6]采用數(shù)值和試驗相結(jié)合的方法，研究了小流量工況下離心泵不同空化程度的內(nèi)流特性及進、出口壓力脈動特性。Dominik Lefor等人[7]運用CFD技術(shù)，通過監(jiān)測離心泵吸入口、蝸殼和葉輪腔體內(nèi)瞬態(tài)靜壓變化，探究了平衡孔直徑對離心泵內(nèi)部流場的影響。付燕霞等人[1]研究了葉片數(shù)從4～8時離心泵小流量工況下的空化特性。曹衛(wèi)東等人[8]采用數(shù)值模擬手段分析得出，徑向回流平衡孔的回流方向與葉輪來流方向基本一致，能夠明顯改善低比轉(zhuǎn)速數(shù)離心泵的空化性能。黃緒[9]依托離心葉輪，對平衡孔的機理及對容積效率的負面效應進行了定量分析。特別地，葉輪平衡孔直徑是影響離心泵軸向力變化的主要參數(shù)[10]，同樣，經(jīng)葉輪平衡孔的泄漏流與進入葉輪的主流相沖擊，也會使離心泵的空化特性發(fā)生改變[11]。因此，研究平衡孔直徑對離心泵小流量工況空化特性格外重要。

為了真實揭示低比轉(zhuǎn)速離心泵的空化特性，解決工程領(lǐng)域中小流量工況下離心泵運行不穩(wěn)定的問題，選用降速后的IS80-50-315型離心泵4種平衡孔直徑對0.8Qd工況及平衡孔直徑d=6mm時分別對0.4Qd、0.5Qd、0.6Qd和0.8Qd這4個工況進行試驗測試，從葉輪所受扭矩、泵腔液體壓力及軸向力等方面分析不同平衡孔直徑對低比轉(zhuǎn)速離心泵小流量工況空化特性的影響。

1 試驗測試系統(tǒng)

1.1試驗模型

選用降速后的IS80-50-315型離心泵為試驗對象，其設(shè)計參數(shù)為：流量Q=25m3/h，揚程H=32m，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，效率η=52%。

離心泵葉輪重要幾何參數(shù)為：外徑D2=315mm，輪轂直徑Db=50mm，葉片數(shù)Z=5，出口寬度b2=6mm，平衡孔數(shù)量z=5。前后密封環(huán)直徑Dm=90mm，徑向間隙b=0.2mm，長度L=18mm，如圖1所示。

1 葉輪;2 可更換平衡孔;3 可拆卸后密封環(huán);4 固定螺釘圖1 離心泵葉輪和平衡孔實物圖Fig.1 Picture of the impeller and balance hole in a centrifugal pump

1.2試驗裝置

在離心泵閉式試驗臺上分別進行流量工況Q/Qd=0.4、0.5、0.6和0.8時腔體壓力特性和空化特性的測試。為了便于試驗裝置拆裝和測量離心泵前后腔及平衡腔的瞬態(tài)壓力分布規(guī)律，將電機布置在試驗泵的進口方向[12]，如圖2(a)所示。圖2(b)為試驗測試的真機試驗臺。

1 水箱;2 出口調(diào)節(jié)閥;3 進口調(diào)節(jié)閥;4 渦輪流量計;5 穩(wěn)壓裝置;6 試驗泵;7 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器;8 試驗泵電機;9 真空泵電動機;10 液環(huán)真空泵;11 水封裝置(a) 試驗裝置示意圖

(b) 真機試驗臺圖2 離心泵閉式試驗臺Fig.2 Centrifugal pump closed test rig

1.3腔體壓力測量

圖3(a)為泵腔內(nèi)液體壓力的測試裝置[13]。圖中，d為平衡孔直徑，b為后密封環(huán)間隙，rm為后密封環(huán)半徑。因第Ⅷ斷面為離心泵蝸殼的特征斷面，故前泵腔第Ⅷ斷面所在軸面分別在半徑是155、146.5、116和75.5 mm的位置處開設(shè)4個測壓孔，同樣后泵蓋亦分別在半徑是155、146.5、116.5和74.5 mm的位置處開設(shè)4個測壓孔，在平衡腔的軸向和徑向位置各開設(shè)1個測壓孔。

為了降低液體壓力脈動對試驗測量的影響，保證腔體不同孔徑處液體壓力測量的精確度和可靠性，專門設(shè)計了圖3(b)所示的穩(wěn)壓裝置，穩(wěn)壓罐上裝有精密壓力表(精度等級為0.4級)和電容式壓力傳感器(精度等級為0.5級)，壓力表和壓力傳感器位于同一水平線上，可以同步顯示被測液體壓力，并可相互印證[14]。穩(wěn)壓罐上的測壓點通過壓力軟管與泵腔體測壓點連接，通過切換不同測壓點的閥門，即可測量出腔體不同半徑處的壓力。

1 前泵腔;2 密封環(huán);3 可更換的平衡孔;4 平衡腔;5 后泵腔;6 泵腔測壓孔(a) 前后泵腔及平衡腔測壓孔示意圖

1 精密壓力表;2 壓力傳感器;3 排氣閥;4 穩(wěn)壓罐;5 測壓孔(b) 穩(wěn)壓裝置圖3 離心泵腔體壓力測試裝置Fig.3 Experimental device for measuring pressure in centrifugal pump chamber

1.4試驗方法

為了方便不同平衡孔直徑的測試，專門設(shè)計了葉輪不變、只更換平衡孔的試驗裝置，解決了試驗過程中平衡孔不易更換的難題，節(jié)約了試驗成本。如圖1中局部放大圖所示，加工了不同平衡孔直徑的平衡孔套用于改變平衡孔直徑的大小，試驗時只需將葉輪后密封環(huán)、不同平衡孔直徑的平衡孔套依次組裝在葉輪上，即可實現(xiàn)同一個葉輪上不同直徑平衡孔離心泵空化特性的測試。改變平衡孔直徑d，分別為4、6、8和11mm，調(diào)節(jié)出口閥門，使流量工況依次為0.4Qd、0.5Qd、0.6Qd和0.8Qd，采用液環(huán)真空泵降低水箱中的壓力，進而改變試驗泵的進口壓力，當壓力降低值不足以使離心泵小流量工況發(fā)生空化時，可適當調(diào)節(jié)進口閥門開度，通過增大進口管路阻力的方式進一步降低進口壓力，滿足試驗要求。小流量工況、不同葉輪平衡孔直徑下離心泵運轉(zhuǎn)時，測得試驗泵進、出口和腔體不同孔徑處的液體壓力、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩以及軸功率，分析得到不同平衡孔直徑下低比轉(zhuǎn)速離心泵小流量工況的空化特性。

2 結(jié)果與分析

2.1不同平衡孔直徑離心泵的水力性能

圖4為不同平衡孔直徑下離心泵的水力性能曲線。從圖中可看出，隨葉輪平衡孔直徑增大，離心泵的性能呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。由試驗曲線可得，當葉輪平衡孔直徑從4mm增大至11mm過程中：在0.6Qd(Qd=25m3/h)工況下，效率下降幅值在2.58%范圍內(nèi)，揚程降低幅值在0.48%范圍內(nèi)，輸入功率增大幅值在3.32%范圍內(nèi)；在0.8Qd工況下，效率下降幅值在2.57%范圍內(nèi)，揚程降低幅值在0.78%范圍內(nèi)，輸入功率增大幅值在3.31%范圍內(nèi)；在1.0Qd工況下，效率下降幅值在2.43%范圍內(nèi)，揚程降低幅值在0.41%范圍內(nèi)，輸入功率增大幅值在2.05%范圍內(nèi)。綜合考慮，小流量工況下，葉輪平衡孔直徑為6mm的離心泵水力性能最優(yōu)。

圖4 離心泵的水力性能Fig.4 Performance curves of centrifugal pump

從流體水力損失的角度分析，由于平衡孔的存在，葉輪出口處的部分高壓液體未能及時排出，而是沿后腔體流道經(jīng)葉輪平衡孔流入葉輪進口，形成回流，使離心泵揚程降低。同時，經(jīng)葉輪平衡孔回流的液體破壞了葉輪進口主流的正常流態(tài)，很大程度上增大了作用在離心泵葉輪上的輸入功率[15-16]，從而導致了離心泵效率的下降。

為方便對空化特性的研究，參考文獻[17-18]引入了空化系數(shù)σ(簡稱空化數(shù))、揚程系數(shù)ψ、軸向力系數(shù)cF、比面積K等無量綱參數(shù)，定義如下：

式中：p1為泵的進口壓力；pv為液體的飽和汽化壓力；v1為泵的進口流速；ρ為液體的密度；F為軸向力；p2為平衡腔內(nèi)液體的壓力；K為平衡孔總面積與后密封環(huán)間隙面積的比值(簡稱比面積)。

2.2不同平衡孔直徑離心泵的空化性能

圖5為離心泵在0.8Qd工況不同葉輪平衡孔直徑下的空化特性曲線。為分析類似泵中，平衡孔直徑對離心泵空化特性的影響，根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)和引入的無量綱參數(shù)，繪制出不同平衡孔直徑下ψ=f(σ)的無因次曲線。從圖5可以看出，離心泵的揚程曲線具有規(guī)律性變化，即隨空化數(shù)減小，泵揚程系數(shù)先近似保持不變后急劇下降。

圖5 0.8Qd工況不同平衡孔直徑葉輪的空化特性曲線Fig.5 Head-drop curves of centrifugal pump with different balance holes diameters at 0.8Qd

平衡孔直徑從d=4mm增加至11mm時，相同空化數(shù)下的揚程系數(shù)略有升高，且平衡孔直徑越大，揚程系數(shù)的突降點出現(xiàn)越晚。由此分析得出，隨著平衡孔直徑的增大，離心泵的抗空化性能逐漸提高，這主要是，平衡孔直徑加大，平衡孔總面積隨之增大，在后密封環(huán)徑向間隙不變時，根據(jù)K=S平衡孔/S后密封環(huán)間隙可得出，比面積K由1.12增大至8.50，由Q=v·A可得，在后泵腔體積一定的情況下，液體流量Q一定，當橫截面積A不斷增大時，泄漏流速v不斷減小，對主流的沖擊破壞作用減小，可以有效避免葉輪進口區(qū)域局部低壓的出現(xiàn)，從而改善離心泵的空化性能。

為了更加直觀的表征空化特性，引入了空化余量這一量綱化參數(shù)，定義如下：

式中：NPSHA為空化余量；pA為標準大氣壓。

圖6為葉輪平衡孔直徑d=6mm、0.4Qd～0.8Qd工況下的離心泵空化特性曲線。依據(jù)文獻[1,11,19]提出的揚程下降3%(即揚程斷裂點)作為離心泵汽蝕的發(fā)生點這一觀點，結(jié)合圖可得出，0.8Qd工況下，臨界空化余量NPSHc=1.726m；0.6Qd工況下，NPSHc=1.409m；0.4Qd工況下，NPSHc=1.268m。由此表明，隨著葉輪進口壓力的下降，0.4Qd工況下，離心泵的揚程較0.8Qd工況更晚出現(xiàn)突降點，即相同平衡孔直徑下流量越小，離心泵越不易發(fā)生空化。由圖還可以看出，同一流量工況下，在有效空化余量NPSHA減小到臨界值之前，離心泵揚程值基本保持不變；當NPSHA=NPSHc時，離心泵處于臨界空化；隨著NPSHA進一步減小，其揚程迅速降低。

圖6 平衡孔直徑d=6mm各小流量工況下葉輪的空化特性曲線Fig.6 Head-drop curves of centrifugal pump with 6mm balance hole diameter under different low flow rate conditions

2.3離心泵葉輪所受扭矩變化

圖7為0.8Qd工況下，空化時不同平衡孔直徑葉輪所受扭矩變化曲線?？梢钥闯觯诳栈浞职l(fā)展前，平衡孔直徑為11mm的葉輪所受的扭矩明顯高于平衡孔直徑為4、6和8mm葉輪的扭矩，且孔徑為11mm的葉輪所受扭矩在發(fā)生陡降前出現(xiàn)了較明顯的先減小后增大再減小的振蕩變化，其他孔徑葉輪所受扭矩振蕩幅度不大。從圖中還可得，0.8Qd工況下，平衡孔直徑為4和6mm的葉輪扭矩幾乎同時陡降，平衡孔直徑為11mm的葉輪所受扭矩較其他孔徑最遲陡降，這表明發(fā)生空化陡降時平衡孔直徑為4和6mm的離心泵損失較少。

圖7 Q/Qd=0.8工況下不同平衡孔直徑葉輪的扭矩變化Fig.7 Effects of balance hole diameter on the torque acting on impellers of centrifugal pump at Q/Qd=0.8

因此，不同平衡孔直徑的葉輪所受扭矩發(fā)生突降時對應的空化數(shù)各不相同。同時，小流量工況下，平衡孔直徑對葉輪所受扭矩的影響規(guī)律與其對揚程的影響相似，由圖表明，隨著進口壓力的下降，葉輪平衡孔直徑增加到一定值后，離心泵葉輪所受的扭矩明顯增大，軸功率也明顯增大，效率顯著下降，這是由平衡孔直徑增大時離心泵的做功增加造成的。

2.4離心泵腔體壓力的變化

圖8為小流量工況Q/Qd=0.4下平衡孔直徑d=6mm的泵腔內(nèi)液體壓力變化曲線。由圖可得，當空化數(shù)大于4.183時，隨空化數(shù)的減小，離心泵前后腔及平衡腔內(nèi)液體的壓力均緩慢減小，近乎成一條直線；當空化數(shù)介于4.183與3.521之間時，平衡腔液體壓力開始急劇下降至-0.004MPa后一直保持不變，前后泵腔內(nèi)液體的壓力也較之前有明顯下降后逐漸減?。划斂栈瘮?shù)小于3.521時，前后泵腔內(nèi)液體壓力先急劇下降后保持穩(wěn)定。由此表明，隨空化數(shù)的減小，泵腔內(nèi)液體壓力呈現(xiàn)出先緩慢下降后急劇降低再保持不變的規(guī)律。從圖中還可以看出，相同徑向測壓孔處離心泵后腔內(nèi)液體壓力普遍高于前腔，平衡腔內(nèi)液體壓力明顯低于前后腔內(nèi)液體的壓力[20]。

圖8 平衡孔直徑d=6mm、0.4Qd工況下泵腔液體壓力變化Fig.8 Curves of liquid pressure in pump chamber with 6mm balance hole diameter under 0.4Qd

2.5離心泵所受軸向力的變化

開平衡孔加雙密封環(huán)葉輪具備平衡低比轉(zhuǎn)速離心泵大部分軸向力的特性[21-24]，對于該結(jié)構(gòu)的離心泵，其平衡腔內(nèi)液體壓力產(chǎn)生的蓋板力是離心泵軸向力的重要組成部分，而平衡孔直徑對平衡腔內(nèi)液體壓力具有決定性作用。因此，分析空化發(fā)展過程中平衡孔直徑對該結(jié)構(gòu)葉輪小流量工況下軸向力的影響至關(guān)重要。

圖9為小流量工況Q/Qd=0.8下不同平衡孔直徑葉輪空化時的軸向力變化曲線。從圖中可以看出，隨著離心泵內(nèi)空化的產(chǎn)生和發(fā)展，葉輪所受軸向力呈現(xiàn)近似“L”形走勢變化，即葉輪所受軸向力系數(shù)先趨于平坦后急劇增大，這主要是隨著空化的發(fā)展，平衡腔內(nèi)液體壓力下降至-0.004MPa后保持不變，但液環(huán)真空泵工作使得葉輪進口壓力一直處于下降趨勢，導致葉輪進口壓力的下降值大于平衡腔內(nèi)液體壓力的下降值。從圖9還可以看出，小流量工況下，平衡孔直徑從4mm增大至8mm時，相同空化數(shù)下，軸向力系數(shù)逐漸減??；平衡孔直徑從8mm增大至11mm時，離心泵的軸向力系數(shù)曲線基本重合。也就是說，空化發(fā)展過程中，平衡孔直徑從4～8mm時離心泵軸向力隨孔徑的增大而逐漸減??；平衡孔直徑從8～11mm時離心泵軸向力基本不變。綜上所述，空化發(fā)展過程中，平衡孔直徑對離心泵軸向力有較大影響。

圖9 不同平衡孔直徑葉輪0.8Qd工況下的軸向力變化Fig.9 Axial forces of the impeller of centrifugal pump with different balance hole diameters under 0.8Qd

3 結(jié) 論

(1) 平衡孔直徑會影響離心泵的水力性能。當平衡孔直徑從4mm增加至11mm時，離心泵揚程減小，效率下降。

(2) 小流量工況下，隨著平衡孔直徑的增大，離心泵的抗空化性能逐漸加強；相同平衡孔直徑下流量越小，離心泵越不易發(fā)生空化；隨空化數(shù)的減小，不同平衡孔直徑葉輪所受扭矩與泵揚程均出現(xiàn)不同步的陡降，且扭矩有明顯的匍匐變化，這是由于蝸殼和葉輪之間的動靜干涉引起的；當葉輪平衡孔直徑增加到一定值后，離心泵葉輪所受的扭矩顯著增大。

(3) 小流量工況下，相同徑向測壓孔處離心泵后腔液體壓力普遍高于前腔，平衡腔液體壓力明顯低于前后腔；空化初生時離心泵軸向力隨著平衡孔直徑的增大而逐漸減小，且同一平衡孔直徑隨空化的產(chǎn)生和發(fā)展，泵腔液體壓力的下降速率先增大后減小，葉輪軸向力表現(xiàn)出先趨于平坦后急劇增加的規(guī)律。

(4) 對于低比轉(zhuǎn)速離心泵而言，從抑制空化及減小軸向力的角度綜合考慮，比面積取2.50≤K≤4.50，即平衡孔直徑為6～8mm最為恰當。

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趙偉國(1979-)，男，山東東營人，副教授、碩士生導師。研究方向：流體機械空化及多相流研究。通信地址：蘭州理工大學(本部)能源與動力工程學院流體機械及工程教研室205(730050)。E-mail:zhaowg@zju.edu.cn

(編輯：楊 娟)

Effectsofbalanceholesdiameteroncavitationcharacteristicsofcentrifugalpumpunderlowflowrates

Zhao Weiguo1,2,*,Lu Weiqiang1,Liu Zailun1,2

(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Engineering Institute of Wenzhou Pump &Value,Lanzhou University of Technology,Wenzhou Zhejiang 325105,China)

In order to investigate the cavitation characteristics of low specific speed centrifugal pumps under low flow rates,rotation rate reduction IS80-50-315 centrifugal pump is taken as the experimental object,and a device is especially designed so as to replace the balance holes of different diameters.Cavitation characteristics were measured and analyzed at 0.4Qd,0.5Qd,0.6Qd,and 0.8Qdwhen the balance hole diameter is equal to 4,6,8,and 11mm.The results show that with the increase of the balance hole diameter,the pump head and its efficiency reduce.Both the torque-drop and head-drop curves of impellers with different balance hole diameters have the same shape of dropping and the torque-drop has obvious creeping change,with the corresponding break-down points occurring asynchronously under the low flow rate condition.It is caused by the rotor-stator interaction between the volute and the impeller.When the balance hole diameter increases under the same cavitation number condition,the head coefficient increase,the axial forces acting on impellers decrease and the anti-cavitation characteristics of centrifugal pump are enhanced.The slower the flow with the same balance hole diameter is,the harder the cavitation of centrifugal pump becomes.But the descent speed of the fluid pressure in the pump chamber of the centrifugal pump increases first and then decreases,the axial forces acting on impellers tend to flat and then increase sharply with the development of cavitation.In order to suppress cavitation and decrease the axial thrust,it is proposed that the most appropriate balance hole diameter is in the range of 6mm to 8mm.

centrifugal pump;low flow rates;balance hole diameter;cavitation characteristics;axial force;experiment

TH311

A

1672-9897(2017)05-0060-07

10.11729/syltlx20170067

2017-05-18;

2017-07-25

國家自然科學基金資助項目(51269011)

*通信作者 E-mail:zhaowg@zju.edu.cn

ZhaoWG,LuWQ,LiuZL.Effectsofbalanceholesdiameteroncavitationcharacteristicsofcentrifugalpumpunderlowflowrates.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2017,31(5):60-66.趙偉國,蘆維強,劉在倫.平衡孔直徑對離心泵小流量工況空化特性影響.實驗流體力學,2017,31(5):60-66.