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    試驗系統(tǒng)夾氣對離心泵性能測量的影響分析

    2019-01-18 10:50:56劉成勝王曉鋒趙艷麗
    火箭推進(jìn) 2018年6期
    關(guān)鍵詞:汽蝕揚程離心泵

    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。

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