離心泵葉輪與泵蓋的間隙變化對運(yùn)行性能影響的研究

張弋揚(yáng)，賈瑞旗，閆 宇，張智彬

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(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

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(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。本文以單級單吸式離心泵為研究對象，通過模型試驗研究葉輪與泵蓋的間隙變化對運(yùn)行性能的影響。這對工程實(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

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。從工程和試驗中發(fā)現(xiàn)離心泵的間隙對性能影響明顯，不合理的間隙值會造成不必要的泄漏損失和液體內(nèi)部的漩渦流動等，都會降低離心泵的效率，對其運(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。其中對離心泵葉輪口環(huán)間隙和葉頂間隙[2-4]的研究開展較多且深入。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，對離心泵的性能產(chǎn)生重要影響。但是對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，目前還沒有這方面的試驗和數(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。

本文的研究對象是單級單吸式離心泵，通過改變?nèi)~輪與泵前蓋的間隙值分別進(jìn)行試驗，以研究間隙對離心泵運(yùn)行性能的影響；模型試驗在中水北方勘測設(shè)計有限責(zé)任公司的水力模型通用試驗臺上進(jìn)行，按照設(shè)計方案針對間隙小于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。在效率試驗的同時，同步采集了各工況的壓力脈動數(shù)據(jù)。

2 離心泵間隙變化模型結(jié)構(gòu)及試驗方案設(shè)計

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。

試驗通過調(diào)整模型泵軸承組件的位置來改變?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 試驗方案設(shè)計

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

在模型泵進(jìn)、出口2倍管徑的位置布置了測壓環(huán)管，用于揚(yáng)程的測量。在泵基座位置按照泵的軸向、徑向和垂直方向布置了振動傳感器、距離泵軸線1m的位置安放了聲級計進(jìn)行噪聲測試。在泵的蝸殼和泵前蓋上安放了壓力脈動傳感器，測點(diǎn)布置如圖5所示。從蝸殼出口開始布置測點(diǎn)，沿蝸殼幾何中心線按照順時針方向分別為PBT1~PBT6、在垂直于蝸殼中心平面、靠近蝸舌的位置布置測點(diǎn)PBT7，泵前蓋上的壓力脈動測點(diǎn)按照直角坐標(biāo)系方位布置，分別為PQG1~PQG4。

本次試驗轉(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，所以采樣頻率至少應(yīng)選用2048Hz。壓力脈動和振動試驗結(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 傳感器測點(diǎn)布置圖

圖5 壓力脈動測點(diǎn)布置

3 離心泵間隙變化對性能的影響

3.1 不同間隙下的能量試驗分析

5個間隙值能量試驗結(jié)果如圖6至圖8所示，分別為不同間隙值的流量-效率試驗曲線、流量-揚(yáng)程試驗曲線和流量軸功率試驗曲線。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曲線

圖7 不同間隙值的流量揚(yáng)程試驗曲線

圖8 不同間隙值的流量軸功率試驗曲線

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分析

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

圖9 間隙為f0mm時大流量工況空化試驗曲線

圖10 間隙為0.22mm時大流量工況空化試驗曲線

圖11 間隙為0.42mm時大流量工況空化試驗曲線

從以上圖中可以看出，流量工況為100l/s左右時，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試驗分析

圖12 間隙為f0mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖13 間隙為0.1mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖14 間隙為0.22mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖15 間隙為0.42mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖16 間隙為0.62mm時泵體壓力脈動試驗曲線

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

表2 泵體測點(diǎn)不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動值

圖17 間隙為f0mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖18 間隙為0.1mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖19 間隙為0.22mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖20 間隙為0.42mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖21 間隙為0.62mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

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

表3 泵前蓋不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動值

4 結(jié)論

本文給出了葉輪與泵前蓋間隙小于0.01mm時的微間隙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)測的試驗結(jié)果，并總結(jié)了5個間隙下最優(yōu)工況的壓力脈動、振動和噪聲的規(guī)律。

根據(jù)變間隙的試驗結(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。

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

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

[2]李仁年.間隙對螺旋離心泵性能影響的預(yù)測及試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38（6）:79-81.

[3]DorneyDJ,GriffinLW,HuberFW.AStudyoftheEffects ofTip ClearanceinaSupersonicTurbine[J].Journalof Turbomachinery,2000,122:674-683.

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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。