低比轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合葉輪離心泵停機(jī)過(guò)程水力特性

張玉良,朱祖超,李文廣,周兆忠,肖俊建

（1.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院浙江省空氣動(dòng)力裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衢州，324000； 2.浙江理工大學(xué)浙江省流體傳輸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310018； 3.格拉斯哥大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，格拉斯哥，G12 8SQ）

0 引 言

復(fù)合葉輪是指長(zhǎng)葉片和短葉片沿葉輪圓周交叉排列的葉輪[1]。這種葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片出口角為90o，葉片出口附近有數(shù)量很多的長(zhǎng)短不一的短葉片，葉輪進(jìn)口附近只有葉片很長(zhǎng)的長(zhǎng)葉片。因葉輪出口角較大，葉片數(shù)量較多，故其揚(yáng)程比相同直徑和寬度只有長(zhǎng)葉片的普通葉輪高。也就是說(shuō)，若產(chǎn)生相同揚(yáng)程，復(fù)合葉輪的直徑比較小，質(zhì)量比較輕，適用于火箭的液體燃料輸送。美國(guó)航空航天局1960年代開(kāi)發(fā)了液氫泵復(fù)合葉輪，這種葉輪的缺點(diǎn)是揚(yáng)程曲線小流量工況出現(xiàn)駝峰，軸功率隨流量增高而上升比較快。

為使這種葉輪結(jié)構(gòu)適用于各種工業(yè)流程等民用領(lǐng)域，采用小葉片出口角來(lái)改造葉輪，以減輕或消除揚(yáng)程曲線駝峰現(xiàn)象和消減軸功率曲線的上升。在這方面，文獻(xiàn)[2-12]做了不少有價(jià)值的工作。這些研究都局限于復(fù)合葉輪的穩(wěn)態(tài)性能和流動(dòng)，陳松山等[13]對(duì)這方面的研究做了詳細(xì)的總結(jié)。

通常情形下，各種類(lèi)型的泵機(jī)組基本上都是在轉(zhuǎn)速近似恒定的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，但仍然不可避免地存在諸如突然啟動(dòng)、斷電停機(jī)等過(guò)渡過(guò)程。在火箭渦輪泵的快速啟動(dòng)過(guò)程中、核電站中的核主泵遭遇意外斷電停機(jī)的過(guò)程中，都需要對(duì)其瞬態(tài)性能具有良好的把握才能保證整個(gè)裝備的安全可靠運(yùn)行。從1970年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心泵的各類(lèi)過(guò)渡過(guò)程，如突然啟動(dòng)[14-19]、突然斷電停機(jī)[19-24]、快速調(diào)節(jié)閥門(mén)[25-28]和快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速[29-30]等的瞬態(tài)性能開(kāi)展了試驗(yàn)理論研究。

代表性的工作有如上世紀(jì)80年代日本學(xué)者Tsukamoto等[14,21]對(duì)一臺(tái)單級(jí)低比轉(zhuǎn)速小型蝸殼式離心泵在快速啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中的瞬態(tài)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。隨后運(yùn)用奇點(diǎn)法數(shù)值計(jì)算了高加速度下的揚(yáng)程和流量，并將數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與瞬態(tài)外特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)首次引入無(wú)量綱流量和無(wú)量綱揚(yáng)程2個(gè)系數(shù)加以分析描述。此外Tsukamoto等[29]還對(duì)一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為61的低比轉(zhuǎn)速離心泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速按照正弦規(guī)律變化時(shí)的瞬態(tài)性能進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)頻率越高，瞬態(tài)與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之間的性能差別越明顯。Duplaa等[15]對(duì)一臺(tái)單級(jí)蝸殼式低比轉(zhuǎn)速離心泵在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程和啟動(dòng)過(guò)程中的水力性能分別進(jìn)行了詳細(xì)的可視化試驗(yàn)研究。Dazin等[18]提出了采用角動(dòng)量方程和能量方程來(lái)預(yù)測(cè)在瞬態(tài)操作條件下葉輪內(nèi)部扭矩、功率和揚(yáng)程的方法，指出瞬態(tài)操作過(guò)程中的瞬態(tài)效應(yīng)除了與較為固定的旋轉(zhuǎn)加速度大小和流動(dòng)加速度大小有關(guān)外，還與內(nèi)部的流場(chǎng)演化結(jié)構(gòu)有關(guān)。

Li等[16]根據(jù)已有文獻(xiàn)中一臺(tái)離心泵提供的幾何數(shù)據(jù)，重新構(gòu)造了離心泵三維模型，建立了包含模型泵在內(nèi)一個(gè)封閉循環(huán)管路系統(tǒng)。然后根據(jù)模型泵在啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速上升的試驗(yàn)結(jié)果，借助于動(dòng)網(wǎng)格方法完成了啟動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)所構(gòu)建的離心泵模型和數(shù)值模擬方法是完全可行的。Wu等[26]對(duì)一臺(tái)離心泵在出口閥門(mén)快速開(kāi)啟過(guò)程中的外特性和內(nèi)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究工作。研究發(fā)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中的流體流動(dòng)加速效應(yīng)使得其外特性曲線整體上位于穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果之下；同時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中泵內(nèi)部渦運(yùn)動(dòng)也是影響泵性能的一個(gè)重要因素。本文作者前期在給定停機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速變化規(guī)律的前提下，建立了一種包含離心泵在內(nèi)的循環(huán)管路系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，初步發(fā)現(xiàn)了模型泵停機(jī)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性[24]。目前，復(fù)合葉輪離心泵停機(jī)過(guò)程中的瞬態(tài)特性試驗(yàn)研究尚需深入。

本文對(duì)一臺(tái)離心泵分別裝配長(zhǎng)葉片的普通葉輪和分流葉片的復(fù)合葉輪時(shí)的斷電停機(jī)過(guò)程進(jìn)行了外特性的試驗(yàn)研究，獲得了停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力、揚(yáng)程、流量、扭矩和功率等性能參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。作為參考，還測(cè)量了離心泵安裝相同尺寸的普通長(zhǎng)葉片葉輪的停機(jī)過(guò)渡過(guò)程性能曲線，并將2種泵的瞬態(tài)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在更好地揭示復(fù)合葉輪離心泵在停機(jī)瞬態(tài)水力性能方面的優(yōu)越性。

1 試驗(yàn)裝置和泵

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)中的離心泵瞬態(tài)性能測(cè)試裝置如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由水箱、泵機(jī)組、測(cè)試系統(tǒng)和循環(huán)管路四大部分組成。其中測(cè)試泵的驅(qū)動(dòng)裝置為杭州力江機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的80M2-4型三相異步交流電動(dòng)機(jī)，額定功率750 W；在測(cè)試泵與電動(dòng)機(jī)之間安裝了湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的JC0型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器用以測(cè)試瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，量程為0～5 N·m，精度等級(jí)為0.2，信號(hào)采樣時(shí)間為1 ms，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的不確定度均為±0.25%；采用上海·光華愛(ài)而美特儀器有限公司生產(chǎn)的OPTIFLUX2100C型電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量的瞬時(shí)測(cè)量，量程為0～30 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)，流量測(cè)試不確定度為±0.2%，信號(hào)采集頻率滿(mǎn)量程時(shí)為1 kHz，最高為5 kHz。采用德國(guó)WIKA公司生產(chǎn)的WIKA S-10型壓力變送器用以測(cè)量泵進(jìn)出口處的瞬時(shí)壓力，其進(jìn)出口壓力傳感器的量程分別為-1～1和0～1.6 MPa，測(cè)量精度小于0.25%，壓力測(cè)試的不確定度均為±0.1%，壓力信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于1 ms。各個(gè)物理量的輸出信號(hào)均為4～20 mA電流信號(hào)，所有信號(hào)由PCI8361BN型采集卡完成數(shù)據(jù)采集處理。

圖1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)離心泵Fig.1 Test rig and tested centrifugal pump

1.2 試驗(yàn)泵

試驗(yàn)泵是一臺(tái)比轉(zhuǎn)速為45的低比轉(zhuǎn)速閉式葉輪離心泵，其設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Qr=6 m3/h，揚(yáng)程Hr=8 m，轉(zhuǎn)速nr=1 450 r/min。葉片型線采用雙圓弧圓柱形式，蝸殼尺寸變化規(guī)律采用阿基米德螺旋線形式。待測(cè)試泵分別安裝普通閉式葉輪和帶有分流葉片的復(fù)合葉輪進(jìn)行停機(jī)瞬態(tài)過(guò)程測(cè)試，主要幾何參數(shù)如表1所示。其中在復(fù)合葉輪中，8枚分流短葉片的進(jìn)口直徑為0.625D2，并且無(wú)偏置布置，安放角等同于長(zhǎng)葉片相同半徑處的安放角。普通葉輪和復(fù)合葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸和三維視圖分別如圖2和圖3所示。

表1 測(cè)試泵主要幾何參數(shù)Table 1 Main geometric parameters of tested pump

1.3 試驗(yàn)方法

輸送介質(zhì)為常溫清水。首先測(cè)量離心泵分別安裝普通葉輪和復(fù)合葉輪時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能曲線，如圖4所示；然后，分別進(jìn)行突然斷電停機(jī)過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)。過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)前，整個(gè)循環(huán)管路中要充滿(mǎn)清水，并且使水箱自由液面始終高于試驗(yàn)泵及整個(gè)管路系統(tǒng)，并且保證整個(gè)系統(tǒng)中的水體處于完全靜止?fàn)顟B(tài)。然后啟動(dòng)離心泵機(jī)組，使其轉(zhuǎn)速上升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速值附近，即1 450 r/min；其次調(diào)節(jié)泵出口閥門(mén)，使泵流量值滿(mǎn)足預(yù)定的穩(wěn)態(tài)流量比。本文中，停機(jī)前（初始）的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)（名義）流量比分別為Q/Qr=0、0.20、0.40、0.60、0.80、1.0、1.20 和 1.40（Q為停機(jī)前的穩(wěn)態(tài)流量值，m3/h）。最后，依次完成不同測(cè)試方案下停機(jī)過(guò)程的瞬態(tài)性能測(cè)試。

圖2 離心葉輪與蝸殼Fig.2 Drawings of centrifugal impeller and volute

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)三維視圖Fig.3 3D views of impeller structure

圖4 離心泵分別安裝普通和復(fù)合葉輪時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能曲線Fig.4 Steady performance curves of pump with ordinary and compound impellers

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn) 速

圖5是穩(wěn)定流量比分別為Q/Qr=0、0.209、0.413、0.609、0.813、1.022、1.202和1.415時(shí)，突然斷電停機(jī)條件下，2種泵的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化。圖5a顯示，隨著斷電停機(jī)過(guò)程的開(kāi)始，普通葉輪離心泵轉(zhuǎn)速快速下降。在8種流量比的情形下，停機(jī)之前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速均在1 459～1 475 r/min之間波動(dòng)，轉(zhuǎn)速下降到零值所需的時(shí)間分別約為2.906、3.00、2.812、2.766、2.609、2.546、2.406和2.406 s。除關(guān)死點(diǎn)外（停機(jī)時(shí)間2.906 s），隨著停機(jī)前穩(wěn)定輸送流量的不斷增大，停機(jī)所需時(shí)間呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：閥門(mén)開(kāi)度越大，通過(guò)的流量越大，停機(jī)過(guò)程中水體對(duì)旋轉(zhuǎn)葉輪的阻力矩也就越大，因此使葉輪轉(zhuǎn)速下降至零所需時(shí)間也就越短。在Q/Qr=0.209時(shí)，停機(jī)所需時(shí)間最長(zhǎng)，約為3.00 s；在Q/Qr=1.202和1.415時(shí)，停機(jī)所需時(shí)間最短，均為2.406 s。停機(jī)過(guò)程所需時(shí)間最大差值可達(dá)0.594 s。同時(shí)看到，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度增大即停機(jī)前穩(wěn)定流量上升時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線變得更為陡峭，下降趨勢(shì)更為迅速。在時(shí)間t=0.5 s時(shí)，關(guān)死點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值約為943 r/min，而本文最大穩(wěn)定流量（即Q/Qr=1.415）點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為737 r/min左右，二者相差為206 r/min。在t=1.0 s時(shí)，關(guān)死點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為595 r/min左右，最大穩(wěn)定流量點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為392 r/min左右，二者相差為203 r/min。8種情形下的轉(zhuǎn)速下降曲線均呈現(xiàn)四次多項(xiàng)式函數(shù)形式，擬合精度相對(duì)誤差小于2%。

圖5b顯示，隨著斷電停機(jī)過(guò)程的開(kāi)始，復(fù)合葉輪離心泵轉(zhuǎn)速快速下降。在8種閥門(mén)開(kāi)度情形下，停機(jī)之前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別約為1 473、1 480、1 471、1 471、1 465、1 462、1 461、1 459 r/min左右，轉(zhuǎn)速下降到零值所需的時(shí)間分別約為3.31、3.25、3.03、3.02、2.77、2.69、2.59和2.45 s?？梢?jiàn)，隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的不斷增大，停機(jī)所需的時(shí)間同樣越來(lái)越短。在Q/Qr=0.213時(shí)，停機(jī)所需時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到3.31 s左右；在Q/Qr=1.404時(shí)，停機(jī)所需時(shí)間最短，為2.45 s左右。最大時(shí)間差值可達(dá)0.86 s。同時(shí)看到，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度增大即停機(jī)前穩(wěn)定流量上升時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線變得更為陡峭，下降趨勢(shì)更為迅速。在t=0.5 s時(shí)，關(guān)死點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為977 r/min左右，而本文中最大穩(wěn)定流量（即Q/Qr=1.404）點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為745 r/min左右，二者相差為232 r/min。在時(shí)間t=1.0 s時(shí)，關(guān)死點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為660 r/min左右，最大穩(wěn)定流量點(diǎn)處的轉(zhuǎn)速值為400 r/min左右，二者相差為260 r/min。

圖5 停機(jī)過(guò)程中泵轉(zhuǎn)速變化Fig.5 Rotating speed variations during stopping period

同樣8種情形下的轉(zhuǎn)速曲線基本為四次多項(xiàng)式函數(shù)形式?？梢?jiàn)，與普通葉輪離心泵相比，在相近流量比條件下，復(fù)合葉輪離心泵停機(jī)時(shí)間略長(zhǎng)。

2.2 流 量

圖6是流量比分別為Q/Qr=0.209、0.413、0.609、0.813、1.022、1.202和1.415時(shí)，突然斷電停機(jī)條件下，2種泵的流量隨時(shí)間的變化。對(duì)于Q/Qr=0.0情形，閥門(mén)完全關(guān)閉，無(wú)流量通過(guò)，故圖6中只有7條曲線。

對(duì)于普通葉輪離心泵，相對(duì)于轉(zhuǎn)速曲線的單調(diào)快速下降趨勢(shì)，圖6a中所示的流量曲線表現(xiàn)出明顯的差異。7條流量曲線整體上均存在三分段變化特性，即在停機(jī)過(guò)程的初期階段，流量并沒(méi)有立即迅速下降，而是相對(duì)較為穩(wěn)定；經(jīng)歷一段時(shí)間后，再快速下降，最后緩慢下降；到完全停止流動(dòng)前，流量曲線存在一個(gè)突然下降的趨勢(shì)。7條曲線顯示，在約為1 s之前，流量相對(duì)較為穩(wěn)定，基本等同于停機(jī)之前的流量數(shù)值，這是由于流動(dòng)慣性所致，而出現(xiàn)的微小波動(dòng)為測(cè)量誤差或試驗(yàn)偶然因素所致。

可以看到，以下降到零值所需時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，流量曲線變化所需時(shí)間與轉(zhuǎn)速變化所需時(shí)間完全相反。在7種流量比的情形下（Q/Qr=0.209、0.413、0.609、0.813、1.022、1.202和1.415），流量下降到零值（完全停止流動(dòng)）所需的時(shí)間分別約為4.75、6.00、7.03、7.73、8.25、9.10和9.98 s?？梢?jiàn)隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的不斷增大，流動(dòng)完全停止（流量為0）所需的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

但同時(shí)注意到，隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的增大，停機(jī)初期流量較為平穩(wěn)的時(shí)間呈現(xiàn)出輕微縮短的趨勢(shì)。如在Q/Qr=0.209、0.813和1.415時(shí)，流量相對(duì)穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間分別約為1.0、0.85和0.75 s。這說(shuō)明隨著停機(jī)前閥門(mén)開(kāi)度的增大，穩(wěn)定流量在逐步增長(zhǎng)的同時(shí)，此時(shí)流量下降響應(yīng)趨于迅速。

圖6 停機(jī)過(guò)程中泵流量變化Fig.6 Flow rate variations during stopping period

對(duì)于復(fù)合葉輪離心泵，圖6b所示的流量下降的響應(yīng)特性與圖6a類(lèi)似。但流量下降到零值所需的時(shí)間分別約為4.87、6.50、7.37、8.33、9.48、9.50和9.75 s?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了最大流量情形Q/Qr=1.415外，復(fù)合葉輪離心泵流量下降所需時(shí)間均比普通葉輪泵略長(zhǎng)。

但同時(shí)注意到，隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的增大，停機(jī)初期流量較為平穩(wěn)的時(shí)間呈現(xiàn)出輕微縮短的趨勢(shì)。如在Q/Qr=0.206、1.007和1.404時(shí)，流量相對(duì)穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間分別約為1.0、0.90和0.80 s。這說(shuō)明隨著停機(jī)前閥門(mén)開(kāi)度的增大，穩(wěn)定流量在逐步增長(zhǎng)的同時(shí)，此時(shí)下降延遲變得越來(lái)越弱。

2.3 揚(yáng)程和泵進(jìn)出口壓力

圖7為是穩(wěn)定流量比分別為Q/Qr=0、0.209、0.413、0.609、0.813、1.022、1.202和1.415時(shí)，突然斷電停機(jī)條件下，2種泵的揚(yáng)程隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，相對(duì)于轉(zhuǎn)速的突然下降，揚(yáng)程曲線的突然下降響應(yīng)特性非常好，即8種情形下的揚(yáng)程曲線均呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，并不存在下降延遲。

由圖7a可知，在8種流量比情形下，在停機(jī)之前的揚(yáng)程穩(wěn)定值分別約為9.72、9.58、10.14、10.11、9.04、8.76、7.42和5.94 m。不難發(fā)現(xiàn)，該模型泵在小流量工況范圍（Q<2.478 m3/h）內(nèi)存在微小揚(yáng)程下降，即存在駝峰現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。當(dāng)穩(wěn)定工況處于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，模型泵將存在不穩(wěn)定運(yùn)行狀況。但在大部分的運(yùn)行工況范圍（Q>2.478 m3/h）之內(nèi)，揚(yáng)程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明模型泵具有相對(duì)較高的運(yùn)行可靠性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，8種情形下的揚(yáng)程曲線均約在6.0 s時(shí)下降到穩(wěn)定值0.4 m左右，出現(xiàn)0.4 m揚(yáng)程的原因是由于試驗(yàn)中進(jìn)出口壓力傳感器安裝位置所致。在本試驗(yàn)中，進(jìn)口壓力傳感器在泵進(jìn)口管路上的引出管路上垂直向上安裝，而出口壓力傳感器在泵出口管路上的引出管路上垂直向下安裝，從而使得二者上下位置差別較大，而水箱內(nèi)的自由液面又均高于2個(gè)壓力傳感器，計(jì)算時(shí)造成了0.4 m的揚(yáng)程存在。

圖7 停機(jī)過(guò)程中泵揚(yáng)程變化Fig.7 Pump head variations during stopping period

對(duì)于復(fù)合葉輪離心泵，同樣8種流量比情形下的揚(yáng)程曲線均呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，與轉(zhuǎn)速的突然下降類(lèi)似，不存在延遲現(xiàn)象，見(jiàn)圖7b。8種流量比條件下情形下（Q/Qr=0、0.213、0.418、0.616、0.820、1.007、1.210 和1.404），在停機(jī)之前的揚(yáng)程穩(wěn)定值分別約為10.15、10.87、10.69、10.56、10.53、9.75、9.09和7.83 m。該泵在小流量工況范圍（Q<1.278 m3/h）亦存在駝峰現(xiàn)象，但范圍比普通葉輪泵的窄。

由安裝在泵進(jìn)口管路上的壓力變送器測(cè)量得到的泵進(jìn)口流體靜壓力隨時(shí)間的變化分別如圖8所示。對(duì)于普通葉輪離心泵，從圖8a可以看出，停機(jī)過(guò)程中進(jìn)口靜壓的絕對(duì)數(shù)值雖然總體很小，但變化卻十分劇烈。

在8種情形下，隨著停機(jī)過(guò)程的開(kāi)始，轉(zhuǎn)速快速下降，進(jìn)口靜壓呈現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)。如在關(guān)死點(diǎn)工況下，最大壓力可達(dá)10.36 kPa，而最小壓力可達(dá)7.50 kPa，二者相差2.86 kPa。隨后轉(zhuǎn)速不斷下降，進(jìn)口靜壓波動(dòng)幅值逐漸減小，并且均在6.0 s左右時(shí)刻逐步趨于一最終穩(wěn)定值。與揚(yáng)程趨于穩(wěn)定值的6.0 s相比，靜壓變化同步于揚(yáng)程變化。同時(shí)可以看到，在不同流量比情形下，進(jìn)口靜壓波動(dòng)幅值存在明顯差異。

圖8 停機(jī)過(guò)程中的泵進(jìn)口靜壓Fig.8 Static pressures at pump inlet during stopping period

對(duì)于復(fù)合葉輪離心泵，從圖8b可知，進(jìn)口靜壓隨時(shí)間的變化過(guò)程與普通葉輪離心泵類(lèi)似，但波動(dòng)幅值略有降低。在關(guān)死點(diǎn)工況下，最大壓力可達(dá)8.64 kPa，而最小壓力可達(dá)5.82 kPa，二者相差2.82 kPa。進(jìn)口靜壓波動(dòng)在7.0 s左右時(shí)刻逐步趨于一最終穩(wěn)定值，比普通葉輪離心泵長(zhǎng)約1.0 s。

由安裝在泵出口管路上的壓力變送器測(cè)量得到的泵出口靜壓力隨時(shí)間的變化曲線分別如圖9所示。

圖9a中，對(duì)于普通葉輪離心泵，由于葉輪做功，泵出口靜壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)口靜壓值，因此出口靜壓的變化特性主要決定了泵的揚(yáng)程變化特性。圖7a和圖9a，二者的變化特征基本上是完全一致的，如在6.0 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值等。對(duì)于復(fù)合葉輪離心泵，對(duì)比圖7b和圖9b，可以發(fā)現(xiàn)泵揚(yáng)程與出口靜壓的變化特征也基本上是完全一致的，如在7.0 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值等。

2.4 扭矩與軸功率的變化

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅门c電動(dòng)機(jī)之間安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，試驗(yàn)獲得的瞬時(shí)扭矩如圖10所示，由轉(zhuǎn)速（圖6）和瞬時(shí)扭矩計(jì)算的瞬時(shí)軸功率如圖11所示。

圖9 停機(jī)過(guò)程中的泵出口靜壓Fig.9 Static pressures at pump outlet during stopping period

圖10 停機(jī)過(guò)程中的軸扭矩變化Fig.10 Torque variations of pump shaft during stopping period

對(duì)于普通葉輪離心泵，從圖10a和圖11a可見(jiàn)，在8種情形下（Q/Qr=0、0.209、0.413、0.609、0.813、1.022、1.202和1.415），停機(jī)過(guò)程開(kāi)始前的穩(wěn)定扭矩分別為1.56、1.83、1.79、2.12、2.37、2.38、2.65 和 2.74 N·m，而穩(wěn)定軸功率分別為0.242、0.282、0.277、0.327、0.364、0.366、0.404和0.420 kW。而且軸扭矩與軸功率的變化趨勢(shì)基本上一致的，均隨轉(zhuǎn)速的快速下降而快速下降。由于試驗(yàn)時(shí)扭矩與轉(zhuǎn)速是同一儀器記錄的變化信號(hào)，因此二者在達(dá)到零值的時(shí)間上具有較好的同步性。

對(duì)于復(fù)合葉輪離心泵，從圖10b和圖11b可以看出，在8種流量比（Q/Qr=0、0.213、0.418、0.616、0.820、1.007、1.210和1.404）條件下，停機(jī)過(guò)程開(kāi)始前的穩(wěn)定扭矩分別為1.63、1.68、1.95、2.16、2.35、2.40、2.66和2.95 N·m，而穩(wěn)定軸功率分別為0.252、0.261、0.300、0.333、0.361、0.367、0.407和0.450 kW，而且軸扭矩與軸功率的變化趨勢(shì)也基本一致。

圖11 停機(jī)過(guò)程中的軸功率變化Fig.11 Shaft power variations during stopping period

2.5 參數(shù)衰減特征時(shí)間

參數(shù)衰減特征時(shí)間是某一參數(shù)下降到初始值37%的時(shí)候所經(jīng)歷的時(shí)間。圖12表示流量Q、揚(yáng)程H、軸功率P、轉(zhuǎn)速n和扭矩M的衰減特征時(shí)間ts隨穩(wěn)態(tài)流量比的變化情形。特征時(shí)間隨穩(wěn)態(tài)流量比增加而線性地減小。同一流量比條件下，特征時(shí)間由大到小的順序?yàn)?流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、扭矩和軸功率。這表明，突然斷電停機(jī)過(guò)程中，受影響的參數(shù)由重到輕的順序?yàn)檩S功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和流量。

與普通葉輪離心泵相比，復(fù)合葉輪離心泵，相同流量比條件下，參數(shù)的特征時(shí)間有減小的趨勢(shì)。這表明，突然斷電停機(jī)過(guò)渡過(guò)程中，復(fù)合葉輪離心泵對(duì)泵管路系統(tǒng)的水力影響有減小的趨勢(shì)。這可能是復(fù)合葉輪離心泵水力上優(yōu)于普通離心泵的一個(gè)潛在因素，有待深入研究。

圖12 不同穩(wěn)定工況下的參數(shù)衰減特征時(shí)間Fig.12 Characteristic times of parameter attenuation for different working conditions

2.6 討 論

本文搭建了離心泵瞬態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，初步探討了2種離心泵在瞬間停機(jī)過(guò)程中各個(gè)性能參數(shù)的變化特性。相對(duì)于穩(wěn)定工況下的性能測(cè)試而言，瞬態(tài)條件下的試驗(yàn)測(cè)量是十分困難的。目前試驗(yàn)裝置主要存在3個(gè)問(wèn)題：

1）傳感器安裝位置調(diào)整和優(yōu)化。進(jìn)、出口壓力傳感器、流量計(jì)的準(zhǔn)確合理安裝位置需要進(jìn)一步斟酌。

2）各個(gè)傳感器量程的問(wèn)題。對(duì)于目前的模型測(cè)試泵而言，試驗(yàn)中使用的各類(lèi)傳感器量程普遍偏大，導(dǎo)致測(cè)量值的準(zhǔn)確度和精度有所下降，參數(shù)波動(dòng)誤差較大。電磁流量計(jì)的最大量程為30 m3/h，而模型泵的額定流量?jī)H為6 m3/h；進(jìn)出口壓力傳感器的量程分別為-1.0～1.0 MPa和0.0～1.6 MPa，而目前進(jìn)出口壓力的最大值僅為0.01和0.1 MPa；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的額定量程為5 N·m，而試驗(yàn)中最大扭矩約為2.74 N·m，平均約為0.5 N·m。因此，目前試驗(yàn)儀表的量程需要進(jìn)一步的優(yōu)化，以便獲得更精確、可靠的測(cè)量結(jié)果。

3）主要參數(shù)在采樣時(shí)間上存在不同步現(xiàn)象。這主要是由于各個(gè)傳感器的采樣頻率不一致和信號(hào)傳輸差異所致，這也是下一步的工作重點(diǎn)。

對(duì)于停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的時(shí)間演化歷程而言，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響其演化規(guī)律的重要因素之一。本文中復(fù)合葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量明顯大于普通葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此二者差異所引起的演化規(guī)律差異還需進(jìn)一步確認(rèn)與驗(yàn)證，這也是下一步的工作重點(diǎn)。

盡管如此，本文的測(cè)試結(jié)果對(duì)于掌握普通葉輪和復(fù)合葉輪離心泵單一性能參數(shù)在瞬時(shí)停機(jī)過(guò)程中的變化特性是十分有意義的。

3 結(jié)論與展望

1）除關(guān)死點(diǎn)外，隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的增大，葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需的時(shí)間越來(lái)越短。同時(shí)轉(zhuǎn)速下降曲線變得更為陡峭，下降更為迅速。8種情形下的轉(zhuǎn)速下降曲線均呈現(xiàn)四次多項(xiàng)式形式。

2）相對(duì)于轉(zhuǎn)速曲線的單調(diào)下降趨勢(shì)，流量曲線表現(xiàn)出三分段變化特性。流量在停機(jī)初期相對(duì)較為穩(wěn)定，大大延遲于轉(zhuǎn)速下降歷程；隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的增大，流量較為平穩(wěn)的持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出輕微縮短的趨勢(shì)。流動(dòng)完全停止所需的時(shí)間隨著停機(jī)前穩(wěn)定流量的增大而越來(lái)越長(zhǎng)，與轉(zhuǎn)速曲線變化特性完全相反。

3）揚(yáng)程相對(duì)于轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)特性較好，均約在6.0 s時(shí)下降到穩(wěn)定值。停機(jī)過(guò)程中進(jìn)口靜壓變化十分劇烈，均在6.0 s左右時(shí)刻逐步趨于穩(wěn)定。軸扭矩與軸功率均隨轉(zhuǎn)速的快速下降而快速下降，同步性較好。

4）同一流量比條件下，性能參數(shù)特征時(shí)間由長(zhǎng)到短的順序?yàn)榱髁?、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、扭矩和軸功率；突然斷電停機(jī)過(guò)程中，受影響的參數(shù)由重到輕的順序?yàn)檩S功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和流量；與普通葉輪離心泵相比，在相同流量比條件下，復(fù)合葉輪離心泵的性能參數(shù)特征時(shí)間有延長(zhǎng)的趨勢(shì)。

本課題組將通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得停機(jī)過(guò)程種2種葉輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流動(dòng)差異，進(jìn)一步深入揭示外特性試驗(yàn)中出現(xiàn)差異的根本原因。

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