氣液兩相入流條件下離心泵內(nèi)部流動誘導(dǎo)特性實(shí)驗(yàn)研究

司喬瑞，崔強(qiáng)磊，袁建平，張克玉，袁壽其

(1.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200041)

在工程實(shí)際如化工流程、石油天然氣、核泵失水事故等情況經(jīng)常遇到泵送氣液兩相流的問題，其中大部分使用的是離心泵[1]。隨著入流含氣率的增加，離心泵的性能逐漸惡化，直至斷流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)行。由于氣泡的易塑性，氣液兩相流動形態(tài)呈無限的拓?fù)潢P(guān)系，其流動特性相比單相復(fù)雜多變[2-3]。從根本上講，眾多工程問題的根源在于離心泵氣液兩相流條件下的內(nèi)部流動及其誘導(dǎo)特性。

從20世紀(jì)60年代開始，學(xué)者們就對泵內(nèi)混入空氣后的性能變化展開研究。原子能反應(yīng)堆的安全問題更是推動了泵內(nèi)氣液兩相流動方面的研究[4]。Kosmowski[5]發(fā)現(xiàn)，流道內(nèi)的脫流和壓力的急劇變化造成了氣液混合物的相位分離，當(dāng)氣體含量高于20%時(shí)就可能會引起斷流。Sekoguchi等[6]通過可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含氣率小于2%時(shí)葉輪內(nèi)的流動為泡狀流，隨著含氣率的增大葉輪內(nèi)流型轉(zhuǎn)為段塞流，葉輪流道進(jìn)口處出現(xiàn)氣囊，最終導(dǎo)致斷流。Kim等[7]基于可視化技術(shù)研究了氣液兩相流下螺旋離心泵葉頂間隙、氣泡大小和流型對性能的影響。Pirouzpana等[8]采用電阻層析成像技術(shù)對某三級分流葉片電潛油泵內(nèi)的氣液兩相流動進(jìn)行測量，分析氣體分布規(guī)律對泵性能的影響。近年來，數(shù)值模擬方法也成為研究兩相流和流體機(jī)械內(nèi)部流動的重要手段[9-12]。Müller等[13]采用CFX軟件對某離心泵內(nèi)的氣液兩相流動情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究表明當(dāng)含氣率高于3%以后必須考慮氣泡的升力和氣泡間的相互作用。付強(qiáng)等[14]采用CFD技術(shù)研究了泵進(jìn)口含氣率對泵內(nèi)各點(diǎn)壓力的影響規(guī)律及氣體分布。袁建平等[15]采用非均相流模型對離心泵氣液兩相流內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值研究。Si等[16]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了不同含氣率下某種比轉(zhuǎn)速離心泵的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)。綜上，實(shí)驗(yàn)研究和構(gòu)建數(shù)值模擬方法是推動氣液兩相流條件下離心泵內(nèi)部流動理論研究的主要手段，但以往實(shí)驗(yàn)多側(cè)重其內(nèi)部流動表征，而對其流動誘導(dǎo)特性研究的較少，采用動態(tài)信號進(jìn)行流態(tài)監(jiān)測的也較少涉及，數(shù)值模型的修正也需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

本文搭建了泵送氣液兩相流測試臺，首先進(jìn)行了不同進(jìn)口含氣率條件下的模型泵外特性實(shí)驗(yàn)，然后通過動態(tài)特性測試獲得了不同運(yùn)行工況條件下模型泵出口壓力脈動和泵體振動特性，并結(jié)合概率密度分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為離心泵流態(tài)監(jiān)測和可靠運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)臺

1.1 模型泵

模型泵選用NKG65-50-139型中比轉(zhuǎn)速直聯(lián)式單級單吸離心泵，設(shè)計(jì)工況為：流量Qd=50.6 m3/h，揚(yáng)程Hd=20.2 m，轉(zhuǎn)速n=2 910 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=132.2，軸頻f0=48.5 Hz，葉片通過頻率fBPF=291 Hz。主要參數(shù)如下：泵進(jìn)口直徑Ds=65 mm，泵出口直徑Dd=50 mm，葉輪進(jìn)口直徑D1=79 mm，葉輪出口直徑D2=139 mm，葉片出口寬度b2=15.5 mm，蝸殼基圓D3=149 mm，葉片數(shù)Z=6個(gè)。

1.2 測試系統(tǒng)

泵送氣液兩相測試實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。離心泵氣液兩相混輸測試系統(tǒng)由液體輸送管路、氣體輸送管路以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。液體輸送管路和氣體輸送管路是離心泵氣液兩相混輸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，為離心泵輸送氣液混合物提供運(yùn)行環(huán)境。液體輸送管路包括兩個(gè)Φ1 m×2.5 m的水罐、球閥、用于調(diào)節(jié)流量的電動閘閥、兩個(gè)電磁流量計(jì)、模型泵、氣液混合裝置以及相關(guān)管路。氣體輸送管路包括壓縮機(jī)、氣體干燥器、儲氣罐、氣體調(diào)壓閥、氣體質(zhì)量流量計(jì)、止回閥，并通過管路連接于氣液混合裝置上。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺Fig.1 Test rig

實(shí)驗(yàn)時(shí)，球閥保持全開，水罐1內(nèi)的純水經(jīng)管路被吸入氣液混合器與壓縮機(jī)排出的空氣混合后一起進(jìn)入模型泵，然后被增壓后排入水罐2。水罐1和水罐2為開式且具有螺旋形結(jié)構(gòu)，可保證進(jìn)入的氣體被完全排出。電磁流量計(jì)1可測得純水的流量，氣體流量計(jì)可獲得標(biāo)況下的氣體質(zhì)量流量。通過保證純水流量在某一恒定值，調(diào)節(jié)閥控制氣體流量來確定模型泵的進(jìn)口含氣率，從而進(jìn)行模型泵的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)。采用圖2所示的氣液混合器來獲得混合均勻的泡狀氣液兩相流，四個(gè)通氣管沿管周均勻分布，通氣口徑為0.5 mm，通氣方向?yàn)轫樍鳌?/p>

圖2 氣液混合器Fig.2 The structure of mixer device

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡以及電腦主機(jī)等。氣體流量計(jì)為MEMS質(zhì)量流量計(jì)，流量范圍為0～200 l/min，測試精度為±(2.5+0.5FS)%，最大工作壓力為0.8 MPa。流量計(jì)1為科隆IFC300電磁流量計(jì)，流量范圍為0～90 m3/h，測量精度為±0.2%。泵進(jìn)、出口靜壓由WIKA CYG1102型靜壓傳感器測量，進(jìn)口量程選用0～1.6 bar，出口量程選用0～4 bar，測試精度為±0.25%。電機(jī)相關(guān)參數(shù)由電參數(shù)測量儀測量，型號為青智8962C1。模型泵不同進(jìn)口含氣率下的外特性測試由江蘇大學(xué)自主研發(fā)的泵性能參數(shù)測量儀完成，測量實(shí)驗(yàn)裝置和儀器滿足GB/T 3216.2005國家標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級精度要求，進(jìn)口含氣率誤差在1%以內(nèi)。動態(tài)特性信號(不同含氣率條件下模型泵進(jìn)出口壓力脈動和振動信號)的采集由LMS SCM205采集前端配合LMS Test.Lab采集軟件完成，該系統(tǒng)有24個(gè)信號采樣通道，每個(gè)通道的最高采樣頻率可達(dá)到102.4 kHz。測量泵進(jìn)、出口動壓信號采用雙橋CYG1406F型高頻壓力傳感器采集，進(jìn)口量程選用0～1.6 bar，出口量程選用0～4 bar，精度為±0.25%。振動信號采用PCB 352A60型壓電式振動加速度傳感器采集，測量范圍為5 Hz～60 kHz，靈敏度為1.017 mV/(m2·s-2)。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用變頻器保證模型泵的轉(zhuǎn)速不變，采樣頻率設(shè)置為25.6 kHz，采集時(shí)間設(shè)置為40 s，信息采集過程中使用漢寧窗對信號進(jìn)行截?cái)嘁越档筒蓸舆^程振動信號能量泄露。各傳感器的安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 The structure of mixer device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 外特性

外特性反映模型泵運(yùn)行的基本狀況，在純水和氣液兩相流工況下的揚(yáng)程、效率等外特性計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

ρ=ρl×(1-a)+ρg×α

(4)

式中：pout為泵出口壓力；pin為泵進(jìn)口壓力；ρ為混合液的密度；ρl為水的密度；Ql為水的體積流量；Qg為氣體的體積流量；ρg為氣體的密度；α為進(jìn)口含氣率；P為泵的軸功率。

圖4為模型泵額定轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)口含氣率時(shí)揚(yáng)程-流量、效率-流量的特性曲線。由圖4可知：模型泵性能在小流量工況運(yùn)行時(shí)對氣體更為敏感，進(jìn)口含氣率超過1%后其性能就開始下降，且含氣率越高，下降幅度越大；隨著進(jìn)口含氣率的增大，泵的運(yùn)行工況范圍會逐漸減小；當(dāng)進(jìn)口含氣率小于7%時(shí)，從效率曲線可看出，隨著含氣率的增大，各工況對應(yīng)的效率最高點(diǎn)會向左偏移，可能是由于氣體聚集在進(jìn)口導(dǎo)致進(jìn)口沖角發(fā)生改變而造成的。實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口含氣率大于7%時(shí)，實(shí)驗(yàn)可采集的流量點(diǎn)范圍大大減少，特別是含氣率超過8%后揚(yáng)程和效率曲線整體會急劇下降，所采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)比較紊亂，此時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泵運(yùn)行也變得特別不穩(wěn)定，模型泵正常運(yùn)行能達(dá)到的最大含氣率為10%。

(a)揚(yáng)程

(b)效率

2.2 壓力脈動

(5)

由于進(jìn)口容易受入射氣流的影響，故選擇出口壓力脈動的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5和圖6為其在Qd和0.6Qd不同進(jìn)口含氣率工況下的頻域圖。由圖可知：在Qd工況不同進(jìn)口含氣率條件下，壓力脈動主頻均為葉頻，并且隨著進(jìn)口含氣率增大，葉頻處壓力脈動幅值整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，含氣率為6%和7%的值比較接近，并且在含氣率為3%時(shí)，葉頻處壓力脈動幅值變化幅度較大；當(dāng)進(jìn)口含氣率大于5%時(shí)，低頻區(qū)壓力脈動幅值明顯增大，含氣率越大，低頻區(qū)壓力脈動越明顯；0.6Qd與Qd工況的規(guī)律一致，只是葉頻處壓力脈動的幅值低于Qd工況。低頻信號的產(chǎn)生主要是因?yàn)殡S著進(jìn)口含氣率的增大，氣體會逐漸堵塞部分葉輪流道，氣液混合流體隨葉輪旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)一定的低頻不穩(wěn)定性。

(a)α=0

(b)α=1%

(c)α=3%

(d)α=5%

(e)α=6%

(f)α=7%

正態(tài)分布是實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的分布之一，在概率統(tǒng)計(jì)中具有重要地位，一個(gè)變量如果受大量獨(dú)立因素影響時(shí)，則它服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)[17](PDF)是

(6)

(7)

式中：-∞﹤x﹤∞，μ為實(shí)數(shù)，σ>0，則稱x服從參數(shù)為μ，σ2的正態(tài)分布。PDF幅值越高說明能量越集中，而方差和均方差的數(shù)值越小，說明隨機(jī)變量離散程度越小，即數(shù)據(jù)波動越小[18]。該統(tǒng)計(jì)可更好地理解流動狀態(tài)和含氣率的關(guān)系，為以后全流量范圍內(nèi)流態(tài)的監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

圖7為Qd和0.6Qd下出口壓力信號在不同含氣率時(shí)的幅值概率密度曲線。由圖7可知：泵出口壓力信號服從正態(tài)分布，在Qd和0.6Qd工況下，PDF幅值變化趨勢相同，隨著進(jìn)口含氣率的不斷增大，PDF幅值逐漸減小，而壓力幅值跨度逐漸變寬，說明出口壓力波動能量越發(fā)不集中。在0.6Qd工況，含氣率小于5%時(shí)，PDF幅值大于Qd工況相應(yīng)含氣率下的PDF幅值，而壓力幅值跨度小于Qd工況相應(yīng)含氣率下的壓力幅值跨度，說明此時(shí)小流量工況下能量更集中，壓力波動較Qd工況下更小；含氣率大于5%時(shí)，PDF幅值小于Qd工況相應(yīng)含氣率下的PDF幅值，而壓力幅值跨度大于Qd工況相應(yīng)含氣率下的壓力幅值跨度，說明此時(shí)小流量工況下壓力波動較Qd工況下更大。此種壓力波動的變化說明在較小流量工況時(shí)，氣體對其內(nèi)部流動的影響更大，導(dǎo)致壓力在含氣率為5%時(shí)發(fā)生劇烈變化。

(a)α=0

(b)α=1%

(c)α=3%

(d)α=5%

(e)α=6%

(f)α=7%

(a)Qd

(b)0.6Qd

2.3 流動誘導(dǎo)振動

流動誘導(dǎo)振動主要由結(jié)構(gòu)不對稱產(chǎn)生的流體不平衡、動靜部件間的相對運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)渦帶產(chǎn)生的徑向不平衡等產(chǎn)生的流體壓力脈動所致[19]，是內(nèi)流不穩(wěn)定特性的外在表現(xiàn)之一。圖8為Qd下，三個(gè)方向的振動頻譜。由圖8可知：X方向，隨著進(jìn)口含氣率的增大，在整個(gè)頻率段內(nèi)，振動信號的整體幅值會明顯增大，尤其是在低頻段區(qū)域；葉頻處幅值在含氣率為7%時(shí)達(dá)到最大，在低頻處會出現(xiàn)其它旁帶信號；相比純水工況，進(jìn)口含氣率為1%時(shí)，在12f0及18f0處出現(xiàn)了較大峰值，進(jìn)口含氣率超過5%后，3f0處出現(xiàn)了峰值，并且低頻區(qū)寬頻信號明顯增大。在Y方向和Z方向，變化規(guī)律與X方向相似，文中不再多加敘述。

圖9為Qd下，振動在三個(gè)方向的幅值概率密度分布。由圖9可知：三個(gè)方向的振動信號均服從正態(tài)分布，三個(gè)方向的PDF幅值在含氣率為0時(shí)最低，且振動幅值跨度要遠(yuǎn)大于通氣之后的跨度，說明通氣之后振動能量會更集中；進(jìn)口含氣率為1%時(shí)，PDF幅值會有一個(gè)大幅的增長，振動幅值跨度變窄，振動的總能量降低，即通入少量氣體可以改善泵的振動性能；而隨著進(jìn)口含氣率繼續(xù)增大，PDF幅值又逐漸減小，3%與5%時(shí)的值接近，在5%時(shí)最低，但仍高于純水工況下的PDF幅值，然后隨著含氣率繼續(xù)增大，PDF幅值又會繼續(xù)增大。該變化的原因是含氣率大于1%后，氣液混合物的混合密度變得越來越小，流動誘導(dǎo)振動的能力變?nèi)?，泵的振動性能得到改善；隨著泵內(nèi)含氣率大于5%以后，氣體大量占據(jù)葉輪流道內(nèi)部，泵內(nèi)部流動逐漸變得越來越不穩(wěn)定，泵的運(yùn)行性能變差，流動誘導(dǎo)振動的寬頻特征越來越明顯，從而導(dǎo)致振動會增強(qiáng)。

(a)α=0

(b)α=1%

(c)α=3%

(d)α=5%

(e)α=7%

(a)X方向

(b)Y方向

(c)Z方向

3 結(jié) 論

本文搭建了泵送氣液兩相流實(shí)驗(yàn)臺，測試了離心泵在不同進(jìn)口含氣率下的外特性和動態(tài)特性，得出如下結(jié)論：

(1)氣液兩相入流條件下，離心泵在小流量工況時(shí)的性能對氣體更加敏感，進(jìn)口含氣率超過1%揚(yáng)程曲線在小流量工況下就會急劇下降，效率曲線下降幅度較小，模型泵正常運(yùn)行，振動加??；模型泵正常運(yùn)行時(shí)，能達(dá)到的最大含氣率為10%，且含氣率超過8%時(shí)所采集到的流量點(diǎn)范圍窄且比較紊亂，揚(yáng)程和效率曲線整體都會急劇下降。

(2)氣液兩相入流條件運(yùn)行時(shí)，泵出口壓力脈動主頻仍為葉頻，并且葉頻處幅值隨著進(jìn)口含氣率增大而逐漸增大；在偏離設(shè)計(jì)流量工況時(shí)，低頻段壓力脈動幅值受氣體影響較大，含氣率越大，低頻區(qū)的寬頻特性越明顯；壓力信號服從正態(tài)分布，隨著進(jìn)口含氣率的不斷增大，PDF幅值逐漸減小，而振動幅值跨度逐漸變寬。

(3)隨著進(jìn)口含氣率的增大，模型泵三個(gè)方向的整體振動PDF幅值均會明顯增大，尤其是在低頻段區(qū)域；振動信號服從正態(tài)分布，隨著含氣率逐漸增大，PDF幅值先增大，然后減小，在進(jìn)口含氣率為5%時(shí)達(dá)到最小(仍大于純水工況)，然后再增大的趨勢，該規(guī)律可作為流態(tài)監(jiān)測的重要依據(jù)。