試驗系統(tǒng)夾氣對離心泵性能測量的影響分析

劉成勝，王曉鋒，趙艷麗，張 凱

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

離心泵在進(jìn)行試驗之前，先要對試驗系統(tǒng)進(jìn)行蓄水和排氣，如果試驗系統(tǒng)中含有氣體，輕則引起試驗系統(tǒng)的振動，重則將引起氣堵或系統(tǒng)破壞，因此研究試驗系統(tǒng)夾氣(即含少量氣體)對離心泵性能測量的影響很有必要。

1 離心泵性能分析

泵水力試驗系統(tǒng)按照GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級、2級和3級》建設(shè)，試驗系統(tǒng)的出入口工藝管路直徑與離心泵的出入口直徑相同，壓力測點位置距離泵出入口法蘭端面2倍DN。本文不考慮測點位置、出入口直徑小偏差對離心泵測量參數(shù)的影響。

1．1 揚程

由伯努利方程知，離心泵揚程由下式求得：

(1)

式中:pe為離心泵出口壓力(絕壓)，Pa；pi為離心泵入口壓力(絕壓)，Pa；Z2為離心泵出口壓力傳感器位置高度，m；Z1為離心泵入口壓力傳感器位置高度，m；υ2為離心泵出口測壓點處管道介質(zhì)流速，m /s；υ1為離心泵入口測壓點處管道介質(zhì)流速，m /s；g為重力加速度，m /s2；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m3。

從式(1)可以看出，離心泵的揚程與泵特性、流經(jīng)離心泵的介質(zhì)體積流量和測壓傳感器的位置高度有關(guān)，與輸送介質(zhì)無關(guān)，即對于某臺特定的離心泵來說，無論輸送什么介質(zhì)，經(jīng)過相同體積流量時揚程相同。如果用壓力表示離心泵的揚程時，即:

(2)

從式(2)可以看出，當(dāng)離心泵的揚程用壓力表示時，除與輸送介質(zhì)的密度有關(guān)外，還與泵特性、流經(jīng)離心泵的介質(zhì)體積流量、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣群统鋈肟趬毫鞲衅鳒y量基準(zhǔn)面的位置有關(guān)。

1．2 效率

離心泵效率計算公式：

(3)

式中：Pe為離心泵的輸入功率，kW；Q為流經(jīng)離心泵的體積流量，m3/s。

效率為無量綱量，與泵特性有關(guān)，根據(jù)相似準(zhǔn)則，與介質(zhì)無關(guān)，所以效率與介質(zhì)的密度無關(guān)。

1．3 功率(輸入功率)

離心泵功率計算公式：

(4)

根據(jù)扭矩測功原理，從式(4)可以看出，單位體積的流體經(jīng)過離心泵所做的功與離心泵特性、介質(zhì)的密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊扔嘘P(guān)。

1．4 汽蝕余量

離心泵的汽蝕余量計算公式：

(5)

式中pv為試驗溫度下液體介質(zhì)的汽化壓力 ，Pa。

從式(5)可以看出，汽蝕余量與試驗地點的大氣壓有關(guān)，同時還與入口壓力、試驗介質(zhì)在試驗溫度下的汽化壓力和流經(jīng)離心泵的介質(zhì)體積流量有關(guān)。

2 夾氣對離心泵性能測量的影響分析

假定水為不可壓縮流體，為了便于分析，定義如下變量：

2．1 夾氣對揚程測量的影響

離心泵的性能曲線一般是隨著流量的增大揚程降低，功率增大，效率先增加在額定流量點達(dá)到最高值然后隨著流量增大而降低。

2．2 夾氣對功率測量的影響

試驗系統(tǒng)夾氣時，水氣混輸，由于試驗過程中測量的M對應(yīng)的流體密度為ρ混合，而ρ混合<ρ水，離心泵的輸出功降低，所以測量出的扭矩變小，由式(4)可以看出，離心泵的測量功率降低了。

2．3 夾氣對效率測量的影響

離心泵的效率理論上與密度無關(guān)。試驗系統(tǒng)夾氣時，水氣混輸，離心泵的測量功率降低，而數(shù)據(jù)處理時使用的密度是ρ水，而ρ水>ρ混合，由式(3)可以看出，離心泵的測量效率提高了。

2．4 夾氣對汽蝕余量測量的影響

試驗系統(tǒng)夾氣時，水氣混輸，會對離心泵的抗汽蝕性能產(chǎn)生影響，影響程度可按下面的公式估算：

(6)

式中：NPSH1為不含游離氣體時泵的汽蝕余量；δ為泵入口介質(zhì)游離氣體相對含量。

試驗系統(tǒng)夾氣時，水氣混輸，在試驗溫度下，水汽化時的汽化壓力pv不變，但是當(dāng)水中含有氣體，汽蝕試驗時隨著離心泵入口壓力的降低，氣體易于析出、膨脹和聚集，氣體占據(jù)部分過流通道，增加了液相的流動阻力，入口壓力沒有完全為水介質(zhì)下降低那么多，但加速了泵出口壓力的降低，根據(jù)式(5)看出，測量的汽蝕余量大了。從式(6)和圖1可知，隨著含氣量的增大，測量的汽蝕余量增大。

圖1 流量為6 m3/h下不同含氣量 的汽蝕試驗曲線Fig.1 Cavitation test curves at different air content as Q=6 m3/h

3 試驗系統(tǒng)夾氣時流量計位置對測量結(jié)果的影響分析

3.1 流量計位于離心泵和調(diào)節(jié)閥之間

當(dāng)離心泵入口流量為Q水+氣時，離心泵出口的流量變?yōu)镼水+氣′，流量計位于離心泵和調(diào)節(jié)閥之間時(圖2)，試驗測量得到的應(yīng)該是H′-Q水+氣′，P-Q水+氣′，η-Q水+氣′曲線，對應(yīng)關(guān)系成立。

圖2 流量計位于離心泵和調(diào)節(jié)閥之間的試驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of test system when flow meter is located between the centrifugal pump and regulating valve

3．2 流量計位于離心泵出口調(diào)節(jié)閥之后

當(dāng)離心泵入口流量為Q水+氣時，離心泵出口的流量變?yōu)镼水+氣′，調(diào)節(jié)閥后的混合流體由于壓力降低氣體膨脹，流體的壓力接近離心泵入口的壓力，即流量計測量的泵流量接近泵入口的流量Q水+氣(圖3)。而試驗測量的揚程對應(yīng)流量是Q水+氣′，實際上該得到的是HQ水+氣′-Q水+氣′的關(guān)系，而ρ混合<ρ水，數(shù)據(jù)處理時使用的密度為ρ水，由式(2)可以看出，測量的泵揚程H′提高了。由于測量的是Q水+氣′狀態(tài)下的功率，測量的功率偏小，由式(3)看出，測量得到的效率提高了。

圖3 流量計位于泵出口調(diào)節(jié)閥之后的試驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of test system when flow meter is located after regulating valve

4 試驗驗證

針對xx-xx型號離心泵試驗中(流量計位于調(diào)節(jié)閥后)，氣體未排凈造成了數(shù)據(jù)的偏差(見表1)，后將系統(tǒng)中氣體排凈后重復(fù)進(jìn)行了試驗(見表2)。試驗數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

表1 夾氣試驗數(shù)據(jù)

表2 排氣后試驗數(shù)據(jù)

從圖4可以看出，夾氣試驗的結(jié)果與夾氣對試驗結(jié)果的影響分析一致，試驗系統(tǒng)夾氣時測量的揚程(用壓力表示的揚程)和效率性能參數(shù)高于未夾氣時的性能參數(shù)，而功率則降低了。

圖4 夾氣試驗與排氣后試驗數(shù)據(jù)圖Fig.4 Data graphs of gas entrapment test and after exhausting test

5 結(jié)論

經(jīng)過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1)試驗系統(tǒng)夾氣會造成測量的離心泵揚程(用壓力表示的揚程)和效率提高，功率降低，汽蝕余量增大。

2)流量計位于離心泵和調(diào)節(jié)閥之間，試驗系統(tǒng)夾氣時，測量的揚程(用壓力表示的揚程)、效率和功率都接近未夾氣時的結(jié)果；當(dāng)流量計位于調(diào)節(jié)閥之后，試驗系統(tǒng)夾氣時測量的離心泵揚程(用壓力表示的揚程)和效率都高于未夾氣時的結(jié)果，功率降低。

3)由于流量計位置對測量的離心泵性能有影響，所以在設(shè)計試驗系統(tǒng)時盡可能把流量計設(shè)置到離心泵和調(diào)節(jié)閥之間，而非離心泵出口調(diào)節(jié)閥之后。