一種泵葉輪葉片表面壓力的測量方法研究

仲作文 于佳菲

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽110869）

0 引言

為了提高泵類水力機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，近幾年來國內(nèi)外關(guān)于葉輪內(nèi)部流場的計(jì)算研究已較為廣泛，而且目前可以借助較為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件對內(nèi)部流場進(jìn)行分析并預(yù)測泵的性能，但邊界條件的設(shè)定、密封結(jié)構(gòu)等都對計(jì)算結(jié)果有一定的影響。另外，葉輪產(chǎn)生的軸向水推力和泵的汽蝕余量等關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用現(xiàn)有計(jì)算方法不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而想知道這些計(jì)算對產(chǎn)品到底有多大影響，就必須對葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行實(shí)際測量，除了目前應(yīng)用較多的PIV內(nèi)部流場測量技術(shù)外，葉片表面壓力的測量也是基本測量內(nèi)容之一。

水力法測量葉片表面壓力的方法簡單易行，不需要太多設(shè)備、儀表，在國外已被采用，并被認(rèn)為是可靠的測量方法，也是目前條件下迅速實(shí)現(xiàn)測量的可行之道。

1 測量原理

用水力法進(jìn)行葉片表面壓力測量的原理如圖1所示。為獲得葉片表面靜壓，在葉片測點(diǎn)處開垂直于葉片表面的小孔，并透過葉輪后蓋板的孔及空心軸中的細(xì)微管將水引至靜壓的測壓腔，由與測壓腔相連的差壓計(jì)（或真空計(jì)）顯示出測壓腔中水的壓力值。與監(jiān)視腔相通的水位顯示出管中水位恒定，即表示測壓腔兩端密封可靠，所測壓力可信。

圖1 測量原理示意圖

在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動坐標(biāo)系中，所測點(diǎn)與測壓腔中壓力的關(guān)系為：

式中，P為所測點(diǎn)的壓力；Pz為測壓腔中的壓力；R為所測點(diǎn)的半徑；Rz為測壓腔中空心軸半徑；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

2 測量裝置

葉片表面壓力測量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝置主要由測壓葉輪、壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)、測壓部分組成。葉輪（圖3）是組合式的，以便于葉片表面上各測壓孔的加工，測壓孔垂直于葉片表面，直徑為0.5 mm，沿葉片寬度方向的導(dǎo)壓孔及后蓋板上的導(dǎo)壓孔直徑均為2.5 mm，導(dǎo)壓孔要各自暢通而不相通。葉片與前、后蓋板結(jié)合要涂密封膠，保證葉片間流道的密封，葉片與后蓋板之間密封的同時(shí)要保證各導(dǎo)壓孔之間也密封。葉輪制成后要試驗(yàn)檢查各測壓通道的暢通性和相互之間的密封性。壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)將葉輪輪轂處的導(dǎo)壓孔里的壓力水通過與導(dǎo)壓孔相連的直徑為4 mm的紫銅管以及膠管引到測壓腔。全部導(dǎo)水管與葉輪一起轉(zhuǎn)動，在空心軸中設(shè)有支撐板以支撐轉(zhuǎn)動中的導(dǎo)水管，測壓部分包括8個測壓腔和9個監(jiān)視腔，每2個腔之間采用骨架式橡膠油封圈進(jìn)行密封。密封圈與旋轉(zhuǎn)軸摩擦產(chǎn)生的熱量由旋轉(zhuǎn)空心軸中通過的冷卻水帶走，測壓腔中壓力值由與之相連的差壓計(jì)（或真空計(jì)）讀出。監(jiān)視腔中保持恒定且適當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>

圖2 葉片表面壓力測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 測壓葉輪結(jié)構(gòu)簡圖

我們通過對一組比轉(zhuǎn)數(shù)ns＝60的3個葉輪A、B、C進(jìn)行了葉片背面表面壓力分布的測量，并與計(jì)算值進(jìn)行對比，形成了一組曲線，具體如圖4所示。

圖4 3種葉輪表面壓力測量結(jié)果與計(jì)算值

3 結(jié)語

通過本裝置的測量結(jié)果可以看出，計(jì)算值與實(shí)際測量值基本吻合，但存在微小差異。而經(jīng)過進(jìn)一步的分析計(jì)算我們可以認(rèn)為：這一差異正是造成葉輪軸向推力、汽蝕余量計(jì)算值與實(shí)際值偏差的重要因素之一。所以通過本方法可以在水力模型的研制過程中測出葉輪葉片表面壓力分布值，從而對理論計(jì)算公式加以修正，最終得到更為準(zhǔn)確的軸向推力和汽蝕余量計(jì)算結(jié)果，使水力機(jī)械設(shè)計(jì)更為精確。

［1］屠大燕.流體力學(xué)與流體機(jī)械［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994

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

［3］查森.葉片泵原理及水力設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987