IS型離心泵駝峰消除措施試驗(yàn)研究

陳燕，王天周，白小榜，羅紹華，張永祥

(重慶水泵廠有限責(zé)任公司國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心，重慶 400033)

泵是使用最為廣泛的通用機(jī)械之一，是輸送各類流體介質(zhì)不可替代的設(shè)備.近年來，國(guó)內(nèi)外通用機(jī)械行業(yè)對(duì)離心泵關(guān)死點(diǎn)性能提出了明確要求，通過設(shè)定關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程來控制泵性能曲線形狀，保證曲線的穩(wěn)定性和可靠性.國(guó)內(nèi)外相關(guān)泵標(biāo)準(zhǔn)[1]也明確規(guī)定大流量點(diǎn)至零流量點(diǎn)的揚(yáng)程曲線應(yīng)呈連續(xù)上升趨勢(shì)，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程最高，不能出現(xiàn)拐點(diǎn).其目的是保證產(chǎn)品性能曲線無駝峰，避免因駝峰引起的喘振現(xiàn)象.這是由于泵性能曲線有駝峰時(shí)，當(dāng)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)到駝峰點(diǎn)附近，泵處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行工況圍繞駝峰點(diǎn)反復(fù)震蕩，繼而會(huì)引發(fā)泵和管路系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲和大量能耗等一系列負(fù)面問題.

工程應(yīng)用中一直避免曲線出現(xiàn)駝峰，但駝峰的形成機(jī)理尚處于探索階段，還未形成成熟的無駝峰設(shè)計(jì)理論，而且試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)性能曲線存在駝峰后，能夠采取的有效方式并不多.國(guó)內(nèi)外在探索駝峰機(jī)理和駝峰區(qū)的流動(dòng)特性等方面已有較多研究，通過CFD數(shù)值計(jì)算分析低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵關(guān)死點(diǎn)工況[2]和駝峰工況[3-4]附近內(nèi)部流動(dòng)特性、PIV試驗(yàn)測(cè)試[5]分析駝峰工況的內(nèi)流機(jī)理，都發(fā)現(xiàn)葉輪內(nèi)流態(tài)惡化，各通道內(nèi)存在不同的流場(chǎng)分布和過流能力，流道內(nèi)有較大旋渦，葉輪出口與蝸殼基圓間隙之間的回流增大，葉輪進(jìn)口的預(yù)旋及出口回流是誘發(fā)駝峰的原因.從工程應(yīng)用方面，避免性能曲線產(chǎn)生駝峰的相關(guān)設(shè)計(jì)方法和補(bǔ)救措施[6]已有提出，而通過試驗(yàn)驗(yàn)證改善或消除單級(jí)單吸離心泵駝峰的措施的可行性和有效性方面的相關(guān)文獻(xiàn)鮮見報(bào)道.

文中針對(duì)某一中比轉(zhuǎn)數(shù)單級(jí)單吸泵水力模型，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)性能曲線存在駝峰現(xiàn)象，分別采取減小葉輪進(jìn)口直徑、減小葉輪出口寬度，以及在泵的吸入段內(nèi)增加隔板進(jìn)行消除駝峰處理，以改善性能曲線穩(wěn)定性.

1 試驗(yàn)方案

所研究模型泵的設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=270 m3/h，揚(yáng)程Hd=70 m，轉(zhuǎn)速n=2 980 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=123，屬于中比轉(zhuǎn)數(shù)泵.該模型泵對(duì)最大流量汽蝕要求較高，為保證抗汽蝕性能，設(shè)計(jì)時(shí)采取了較大的葉輪進(jìn)口面積和蝸殼的幾何參數(shù).葉輪輪轂直徑為42 mm，進(jìn)口直徑采用了較大的進(jìn)口系數(shù)，k0=4.77，進(jìn)口直徑D1=146 mm，出口直徑D2=250 mm，出口寬度b2=29 mm.蝸殼喉部面積偏大，為6 400 mm2，高效點(diǎn)的位置向大流量有一定程度的偏移.

試驗(yàn)在重慶水泵廠有限責(zé)任公司B級(jí)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)滿足國(guó)家2級(jí)精度，各項(xiàng)測(cè)試儀表均滿足水泵測(cè)試的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).試驗(yàn)泵總體裝配如圖1所示.為簡(jiǎn)化裝配過程，泵體兩端均開口，吸入段與泵體通過螺紋連接.試驗(yàn)泵為單級(jí)單吸蝸殼泵，采用填料密封結(jié)構(gòu).

圖1 試驗(yàn)泵總體裝配圖

原模型泵測(cè)試方案編號(hào)為方案A，測(cè)試結(jié)果如圖2所示.可以看出，揚(yáng)程曲線隨著流量的增大先升后降，駝峰從零流量跨至180 m3/h，跨度較大.零流量點(diǎn)揚(yáng)程為85.3 m，駝峰工況點(diǎn)流量為119.7 m3/h，揚(yáng)程87.8 m.最高效率點(diǎn)位于350 m3/h，偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)270 m3/h較遠(yuǎn).最高效率為85.3%，高效區(qū)較寬.高效點(diǎn)350 m3/h的國(guó)標(biāo)效率為82.6%，節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)為83.6%，該模型的效率較高.普遍認(rèn)為有駝峰的離心泵具有相對(duì)高的效率.

圖2 原模型測(cè)試性能曲線

為消除駝峰，先后采取了3種處理措施，即實(shí)施了3個(gè)試驗(yàn)方案.3次處理措施都是在分析了前一次試驗(yàn)結(jié)果后再進(jìn)行確定，依次命名為方案B，方案C，方案D，具體處理見表1.

表1 試驗(yàn)方案

駝峰消除通常都會(huì)降低模型的揚(yáng)程和效率.原模型的設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程有一定余量，效率較高，且高效點(diǎn)向右偏移較多，性能有一定的余量.因此第一次改善駝峰的試驗(yàn)，即方案B首先減小葉輪進(jìn)出口的水力尺寸，保持后蓋板不變，根據(jù)新的前流線形狀車掉葉輪原前蓋板并焊接新前蓋板形成新的葉輪，通過犧牲一定的性能來消除駝峰.

方案B的測(cè)試結(jié)果顯示，減小葉輪進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度，即改變?nèi)~輪進(jìn)出口流動(dòng)狀態(tài)對(duì)消除駝峰無明顯效果，因此第二次改善駝峰的試驗(yàn)，即方案C不再調(diào)整葉輪水力尺寸，而是在吸入段內(nèi)增加2塊對(duì)稱布置的隔板(見圖1)，嘗試改變?nèi)~輪進(jìn)口前來流的狀態(tài).隔板的高度H占吸入口徑的1/3，因吸入段內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)隨著半徑的減小而減弱，中心旋渦所占的空間比例很小，隔板過高和過厚都將影響效率.原模型的葉輪進(jìn)口直徑偏大，隔板的高度取值也偏大.

方案C幾乎完全消除駝峰，效果顯著.為進(jìn)一步驗(yàn)證隔板的有效性，方案D在方案C的基礎(chǔ)上，僅去掉1塊吸入段內(nèi)的隔板，其余結(jié)構(gòu)不做任何改動(dòng).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4種方案的試驗(yàn)結(jié)果見表2，揚(yáng)程和效率曲線對(duì)比如圖3所示.由圖3可以看出，方案B的揚(yáng)程曲線形狀幾乎沒有改變，僅因葉輪軸面流道改窄，揚(yáng)程值有所降低，曲線整體向下偏移，駝峰跨度和區(qū)域跟方案A基本保持一致.效率曲線也整體向下偏移，最高效率點(diǎn)向左偏移，最高效率82.3%，相比原模型的最高效率降低了3%.減小葉輪軸面流道的寬度，實(shí)際上是改變了葉輪的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，減小了葉輪的實(shí)際比轉(zhuǎn)數(shù)，高效點(diǎn)向小流量偏移和最高效率下降，這是符合設(shè)計(jì)理論的.

表2 4種方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 4種方案測(cè)試性能曲線

對(duì)比方案A，B試驗(yàn)，結(jié)果表明，在該單級(jí)單吸離心泵蝸殼流道不做改動(dòng)的情況下，減小葉輪進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度，改窄葉輪軸面流道對(duì)改善性能曲線的駝峰無積極作用，揚(yáng)程曲線和效率曲線僅數(shù)值有所降低，形狀基本無變化.

方案C的揚(yáng)程曲線的駝峰已完全消失，效果十分顯著.零流量到100 m3/h(方案B的駝峰點(diǎn)附近)范圍內(nèi)的揚(yáng)程顯著提升，100 m3/h流量向后的曲線形狀仍與方案B保持一致，僅數(shù)值有微小降低.高效點(diǎn)仍在300 m3/h左右，最高效率為81.8%，相比方案B降低了0.5%，大流量區(qū)效率下降明顯.分析可能原因是吸入段內(nèi)加上隔板后，抑制了小流量運(yùn)行時(shí)葉輪各通道進(jìn)口產(chǎn)生的失速流團(tuán)對(duì)水流的堵塞作用[7-8].進(jìn)口水流的旋渦量減少，流體較為均勻地流入葉片各個(gè)通道，葉片進(jìn)口內(nèi)部旋渦減少，流動(dòng)較為順暢，即對(duì)葉輪進(jìn)口產(chǎn)生的預(yù)旋和回流[9-10]形成了較強(qiáng)的抑制作用.葉輪進(jìn)口流動(dòng)狀況顯著改善后，大大減少了小流量工況下進(jìn)口回流所引起的水力損失，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程提高，性能曲線的駝峰消除[11].同樣，隔板的存在對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)有一定的干擾，其造成的壓降使得揚(yáng)程曲線的數(shù)值整體有微小降低.

對(duì)比方案B，C試驗(yàn)，結(jié)果表明，吸入段內(nèi)增加隔板對(duì)消除駝峰有明顯的效果，且揚(yáng)程和效率損失較小，在可接受的范圍之內(nèi).若葉輪、泵體流道和蝸室喉部不能進(jìn)行任何改變時(shí)，增加隔板是個(gè)簡(jiǎn)單易行的改善措施.

方案D的揚(yáng)程曲線依舊未出現(xiàn)駝峰，僅在零流量到40 m3/h內(nèi)揚(yáng)程基本不變，曲線比較平坦，其余測(cè)量值幾乎與方案C增加2塊隔板的數(shù)據(jù)重合，說明在吸入段內(nèi)增加隔板對(duì)于消除揚(yáng)程曲線駝峰確實(shí)有效，可借鑒用于其他泵消除駝峰.

對(duì)比方案C，D試驗(yàn)，結(jié)果表明，吸入段內(nèi)增加1塊或者2塊隔板都可消除駝峰.增加隔板對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的干擾較小，引起的水力損失較低，隔板的數(shù)量差異對(duì)性能無明顯影響.但當(dāng)葉輪進(jìn)口直徑過小時(shí)，增加隔板導(dǎo)致葉輪進(jìn)口堵塞，進(jìn)口流速較快增長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)汽蝕，導(dǎo)致流態(tài)惡化.原模型駝峰形成的原因可能是葉輪進(jìn)口回流引起的旋渦形成較大的水力損失，從而引起揚(yáng)程下降.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證隔板對(duì)消除駝峰的有效性，在另一臺(tái)同樣存在駝峰問題的單級(jí)單吸蝸殼泵(ns=127)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.在吸入段內(nèi)增加一塊隔板，隔板周向靠近一葉片進(jìn)口邊，隔板末端軸向距葉輪葉片進(jìn)口邊約30 mm，隔板厚度5 mm.為確認(rèn)隔板和葉輪進(jìn)口的周向相對(duì)位置對(duì)消除駝峰是否有影響，轉(zhuǎn)動(dòng)吸入段角度，調(diào)整隔板周向位置至兩葉片中間后再次試驗(yàn)，3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示.

圖4 加隔板前后測(cè)試性能曲線

由圖4可以看出：未加隔板的揚(yáng)程曲線存在明顯的駝峰，且駝峰跨度范圍較大；增加隔板后，駝峰幾乎完全消除，小流量區(qū)的揚(yáng)程大幅提升，效果顯著，隨著流量的減小，揚(yáng)程曲線呈單調(diào)上升趨勢(shì)，接近零流量時(shí)曲線變平，大流量區(qū)的效率和揚(yáng)程值變化微小，說明隔板對(duì)泵整體性能產(chǎn)生的影響較?。桓舭遛D(zhuǎn)動(dòng)一定角度，調(diào)整周向位置后的測(cè)試數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)動(dòng)前對(duì)比顯示，揚(yáng)程曲線和效率曲線的趨勢(shì)幾乎吻合，僅小流量區(qū)揚(yáng)程曲線更平，說明隔板與葉輪葉片進(jìn)口邊的周向相對(duì)位置對(duì)性能無明顯的影響.

4 結(jié) 論

為消除某一中比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵揚(yáng)程曲線的駝峰，通過試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)比了3種處理措施的有效性，并在另一臺(tái)試驗(yàn)泵上進(jìn)行再次試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

1) 泵體流道不做任何改動(dòng)的情況下，僅減小葉輪的進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度后，理論上曲線斜率會(huì)有一定改變，實(shí)際測(cè)試出的揚(yáng)程曲線形狀幾乎無變化，僅數(shù)值整體性的減小，對(duì)揚(yáng)程曲線駝峰的改善沒有顯著的影響.

2) 吸入段內(nèi)增加1塊或2塊隔板后，駝峰幾乎完全消除，揚(yáng)程和效率損失較小，表明隔板對(duì)于改善駝峰是有利的.

3) 吸入段內(nèi)增加1塊和2塊隔板后，駝峰都幾乎消除，揚(yáng)程和效率幾乎無差異，表明增加隔板的數(shù)量差異對(duì)性能無明顯影響.

4) 吸入段內(nèi)隔板的安裝方位對(duì)消除駝峰的效果沒有實(shí)質(zhì)性影響，采用吸入段內(nèi)增加隔板的方法消除離心泵駝峰，可以根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)，任意設(shè)置隔板的周向方位.