礦用高速搶險泵推力盤作輔助葉輪的試驗

柏宇星，馮子政，吳金國，孔繁余，陳茹雯*

(1.南京工程學院汽車與軌道交通學院,江蘇 南京 211167；2.山東星源礦山設備集團有限公司,山東 濟寧 272300；3.江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.中國航天科技集團有限公司第6研究院第11研究所,陜西 西安 710000)

煤炭是中國最主要的能源構成，約75%的能源需求由煤炭提供，煤炭開采工作的安全性具有十分重大的意義.傳統(tǒng)的礦用搶險泵由于體積大、質(zhì)量大、揚程低且井下組裝困難，導致煤礦透水時難以及時排出積水，造成了國家和人民生命財產(chǎn)的巨大損失[1-2].因而迫切需要研發(fā)新型高速礦用搶險泵.為減小高速礦用搶險泵體積，電動機腔內(nèi)部采用推力盤開徑向通道作輔助葉輪提供動力.從結構上，流體在推力盤中徑向通道的內(nèi)部流動可以視為在旋轉(zhuǎn)直通道中流體流動.

旋轉(zhuǎn)槽道是研究旋轉(zhuǎn)系下科氏力和離心力對湍流流動影響規(guī)律的基礎.JOHNSTON等[3]首次在試驗中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)非對稱效應和流向大尺度渦結構.NAKABAYASHI等[4]基于JOHNSTON的試驗結果，繼續(xù)深入討論了系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對雷諾切應力輸運方程的影響.VISSCHER等[5]設計了一種新型旋轉(zhuǎn)槽道試驗臺，發(fā)現(xiàn)了由于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)引起的科里奧利力使沿吸入側(cè)的湍流水平衰減，而在旋轉(zhuǎn)通道的壓力側(cè)發(fā)現(xiàn)湍流攪動增強.相比于槽道流動，管道流動更接近一些實際的內(nèi)流問題.PALLARES等[6-7]采用數(shù)值模擬方法對旋轉(zhuǎn)方管湍流流動進行了一系列研究，在方管拐角附近發(fā)展的二次流能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)橫流；旋轉(zhuǎn)可以增強方管內(nèi)局部摩擦系數(shù)以及離心浮力效應，這對流動的紊流水平有很大的影響.劉難生等[8]采用數(shù)值模擬方法,研究了繞管軸旋轉(zhuǎn)圓管內(nèi)的湍流流動特性,分析了旋轉(zhuǎn)效應對湍流脈動生成的抑制作用.張劉楊等[9]研究了旋轉(zhuǎn)圓管的通流特性,分析認為隨著轉(zhuǎn)速的增大，通流特性減弱趨勢更加顯著.張傳杰等[10]基于代數(shù)雷諾應力方程的簡化模型,發(fā)展了一種適用于旋轉(zhuǎn)通道的各向異性湍流模型.吳宏等[11]采用特征線法,對旋轉(zhuǎn)通道結構一維非定常流動進行了研究.江智耀等[12]采用一維熱線試驗詳細測量了不同雷諾數(shù)下及較高旋轉(zhuǎn)數(shù)下旋轉(zhuǎn)光滑直通道內(nèi)湍流邊界層及主流的速度型.張靜等[13]、宋健斐等[14]利用激光多普勒測速儀對圓管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流場進行了試驗測量,重點測量了切向速度與軸向速度的分布以及湍流強度分布.

綜上所述，現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)通道的研究多集中于內(nèi)部介質(zhì)為氣態(tài)的情況，對于內(nèi)部介質(zhì)為液態(tài)，且針對電動機內(nèi)部工況的研究相對較少.因此文中研究特殊工況下旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)部液體流動特性的機理有著重要意義.

1 總體結構

以礦用高速搶險泵型號GFQ200-500為例，搶險泵機組采用水潤滑推力軸承平衡軸向力，變頻電動機內(nèi)部采用冷卻液閉路循環(huán)散熱，保證大功率電動機在高速運轉(zhuǎn)中的可靠性和穩(wěn)定性[15].泵的主要參數(shù)中，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，額定流量為200 m3/h，額定揚程為500 m.

為了進一步縮短機組長度，在推力盤上開徑向通道以承擔輔助葉輪的功能，為電動機內(nèi)部循環(huán)提供動力源.泵機組運行過程中，推力盤隨主軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)表面與推力軸承之間構成楔形水膜來平衡機組軸向力.同時，推力盤所開徑向通道起到輔助葉輪的作用，提供揚程保證電動機腔內(nèi)部循環(huán)得以進行.

圖1 礦用高速搶險泵機組結構方案

圖2 推力盤和推力軸承工作示意圖

2 試驗方法

2.1 試驗臺搭建

為了模擬實際機組工作過程中推力盤作輔助葉輪的所處情況，研究不同工況下推力盤作輔助葉輪的水力特性和汽蝕特性，搭建了多功能推力盤試驗臺，如圖3所示.其中左、右2片推力軸承分別固定在端蓋側(cè)，與推力盤左右總間隙為0.01 m.推力軸承和推力盤工況與實際搶險泵中完全一致，推力盤與一側(cè)推力軸承形成楔形水膜平衡軸向力，與另一側(cè)推力軸承形成流道間隙.試驗過程中，液體從三通管進口流入推力盤底部進入推力盤徑向通道，由于推力盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，液體由推力盤徑向通道甩出進入經(jīng)過中端蓋(蝸殼)間隙，隨即經(jīng)中端蓋出口流出.壓力傳感器獲得推力盤進出口壓力，流量計獲得系統(tǒng)流量，扭矩儀獲得電動機輸出功率.其中壓力傳感器測量范圍為-30～30 kPa，精度為±0.1% FS.流量計測量范圍為0.50～54.26 m3/h；精確度為±0.3%.扭矩傳感器測量范圍為0～±100 N·m, 精度為0.25.試驗依據(jù)中國國家B級精度標準進行測量.

圖3 多功能推力盤試驗臺

2.2 試驗對象

本試驗中采用的推力軸承與推力盤參考礦用高速搶險泵機組中推力軸承與推力盤結構進行等比例縮小設計.推力軸承采用浸漬石墨，推力盤采用304不銹鋼為基底，表面堆焊斯泰利特合金，推力盤具體參數(shù)中內(nèi)徑D1td=0.066 m；內(nèi)徑D2td=0.180 m；徑向孔個數(shù)Ztd=8；徑向孔直徑dtb=0.008 m；徑向孔夾角θtb=45°.

3 試驗結果

獲得的試驗數(shù)據(jù)包括如下2個方面：① 30 ℃ 即常溫下，推力盤作輔助葉輪在1 500，2 000，3 000，4 000，5 000和6 000 r/min這6種轉(zhuǎn)速下外特性；② 不同溫度轉(zhuǎn)速下，推力盤作輔助葉輪的抗汽蝕性能.

3.1 外特性

本試驗中使用的蝸殼如圖4所示.其中，出口位置角φ0定義為出口端中軸線和基圓交點與基圓原點連線與基圓水平軸線的夾角，出口位置角φ0=90°.

圖4 試驗用蝸殼

圖5為系統(tǒng)分別運行在不同轉(zhuǎn)速和不同流量點的揚程、機組效率和功率曲線.各階轉(zhuǎn)速下，隨著流量增大，揚程不斷降低，最大揚程為19.64 m，最小揚程為2.62 m，機組效率先增大再減小，功率曲線則緩慢降低.隨著轉(zhuǎn)速提高，推力盤作輔助葉輪流量覆蓋范圍有輕微增大；相同流量點下，揚程和功率數(shù)值都有提高.

圖5 推力盤作輔助葉輪外特性曲線

由揚程曲線可知，在2 000,3 000,4 000,5 000，6 000 r/min這5種轉(zhuǎn)速下，隨著流量增大，揚程曲線的下降斜率基本保持一致.區(qū)別于傳統(tǒng)離心泵，轉(zhuǎn)速變化定律對推力盤作輔助葉輪的揚程不適用.由揚程曲線可以推論，推力盤作輔助葉輪產(chǎn)生揚程H與推力盤外徑處圓周速度u2的關系式為

(1)

式中：λH為揚程系數(shù).由試驗結果可知，轉(zhuǎn)速越高，揚程系數(shù)取值越小.造成揚程系數(shù)減小的原因可能有如下幾個方面：推力盤進口段水體靠近軸壁，隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高，主軸轉(zhuǎn)速也不斷增大，靠近軸壁面的水體圓周速度變大，造成進口流動的不穩(wěn)定性提升.不穩(wěn)定的進口流動流入推力盤徑向孔時，在徑向孔中隨著推力盤做旋轉(zhuǎn)運動，不穩(wěn)定性流動更加明顯，從而帶來揚程系數(shù)的減小.此外，隨著轉(zhuǎn)速的增大，推力盤出口處圓周速度急劇增大，從而帶來了推力盤與推力軸瓦中間隙的水體能量損失增大，這也是引起揚程系數(shù)減小的重要原因.

隨著轉(zhuǎn)速的增大，有效流量范圍略微增大.這種現(xiàn)象說明，推力盤作輔助葉輪的流量范圍與自身結構特性相關，區(qū)別于傳統(tǒng)離心泵，流量覆蓋范圍與轉(zhuǎn)速沒有明顯關系.由此可以推斷推力盤的徑向孔的數(shù)目、半徑?jīng)Q定了某一工況下的過流面積，從而影響流量范圍.

效率方面，各階轉(zhuǎn)速下機組效率都比較低，所有工況下最高機組效率為6.5%，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，機組最高效率僅為6.0%.引起機組效率偏低的原因有如下幾個方面：

首先，機組效率由水力效率、容積效率和機械效率的乘積所決定

ηc=ηh·ηv·ηm，

(2)

式中：ηc為機組效率；ηh為水力效率；ηv為容積效率；ηm為機械效率.

在水力效率方面，為貼近推力盤在電動機腔內(nèi)部的實際工作情況，蝸殼出口開在基圓頂端，此種蝸殼結構使得由推力盤徑向孔甩出的高速液體不能在切向位置被甩出，從而造成推力盤與蝸殼之間的間隙處流動較為混亂，帶來較大的水力損失.此外，推力盤進口的來流不穩(wěn)定性以及在推力盤徑向孔中的水流特性也是造成水力效率低的重要原因.

機械效率方面，由于本試驗臺主軸長度較長，并且軸頭一端與軸向力測試裝置使用緊固件連接，并考慮到整個試驗臺多處使用了機械密封或者骨架油封以及聯(lián)軸器傳遞的機械損失，整個試驗臺的機械效率損失較大.

容積效率方面，出于對試驗臺核心部件的保護，試驗臺設有三處冷卻循環(huán)回路對相關部件進行冷卻沖洗；再者，推力盤與推力軸承存在間隙；綜合2個因素，容積效率也比較低.

綜上所述，基于試驗臺設計結構，推力盤作輔助葉輪的水力效率、容積效率和機械效率都不高，從而造成機組效率低.

在同一轉(zhuǎn)速下，隨著流量的增大，機組效率先增大，在流量Q達到6 m3/h左右時，機組效率達到最大值，隨之緩慢下降.在小流量工況下，推力盤與一側(cè)推力軸承間隙所產(chǎn)生的圓盤損失可能占軸功率中的比例偏大，從而引起小流量工況下機組效率相對較低.在轉(zhuǎn)速為6 m3/h附近，整個推力盤作輔助葉輪處于最佳流動狀態(tài)，相對于其他流量點，水力損失較小且圓盤摩擦損失占整個軸功率比例小，整個機組效率最大.由于自身推力盤徑向孔過流面積固定，流量繼續(xù)往大流量發(fā)展，超過最佳流量點，可能造成徑向孔內(nèi)部流道出現(xiàn)堵塞狀況，從而引起流動不充分，引起機組效率降低.

3.2 汽蝕特性

圖6為推力盤作輔助葉輪分別在30 ℃，50 ℃和70 ℃下的汽蝕曲線.其中轉(zhuǎn)速分別選取1 500，3 000和6 000 r/min, 流量點分別選擇2，4和6 m3/h.圖中NPSH為汽蝕余量，NPSH數(shù)計算公式為

(3)

式中：ps為進口處壓力，Pa;pv為蒸汽飽和壓力，Pa；vs為進口處速度，m/s;g為重力加速度，m/s2；ρ為水體密度，kg/m3.

為了更加直觀地分析研究汽蝕現(xiàn)象，規(guī)定當揚程下降幅值在10%時發(fā)生嚴重汽蝕，試驗停止，并將此NPSH值記為NPSHs.

如圖6所示，隨著轉(zhuǎn)速的升高，各工況點揚程穩(wěn)定時所對應的NPSH值變化范圍不斷減小，且NPSHs也都不相同，說明轉(zhuǎn)速對推力盤作輔助葉輪的抗汽蝕性能影響較為明顯.以轉(zhuǎn)速為2 m3/h為例，轉(zhuǎn)速越高，NPSHs值越大，且揚程穩(wěn)定范圍所對應的NPSH值區(qū)間越窄，說明推力盤作輔助葉輪抗汽蝕性能與轉(zhuǎn)速呈反比關系.同一流量下，轉(zhuǎn)速越高，說明推力盤進口處水體旋轉(zhuǎn)速度越大，即流態(tài)越不穩(wěn)定.帶有高速圓周速度的進口水體在進入推力盤徑向孔位置時，極易產(chǎn)生沖擊損失和回流，更是對進口附近的流動不穩(wěn)定性產(chǎn)生了增益作用.由于流動不穩(wěn)定性的存在，極易在進口處引起局部壓力過低，從而產(chǎn)生局部低壓區(qū)，氣泡在此低壓區(qū)內(nèi)生成、發(fā)展從而更易形成汽蝕.

圖6 推力盤作輔助葉輪汽蝕曲線

與此同時，對比3種轉(zhuǎn)速下的汽蝕性能曲線可知，在同一溫度下，轉(zhuǎn)速不同，各流量點的汽蝕特性也不相同.在30 ℃下，1 500與3 000 r/min工況中，參照汽蝕曲線可知，在6 m3/h工況下，NPSHs值最大，而在4 m3/h下NPSHs略微高于2 m3/h的值.然而在6 000 r/min工況中，6 m3/h流量下，NPSHs值最小，2 m3/h流量下，NPSHs值最大.由此可以得到推論：中低轉(zhuǎn)速下，小流量點的推力盤作輔助葉輪抗汽蝕性能優(yōu)于大流量點；在高轉(zhuǎn)速下，大流量點的抗汽蝕性能優(yōu)于小流量點.考慮到推力盤進口處的特殊結構形式，在推力盤進口處的水體速度可分解為軸向速度和圓周速度，轉(zhuǎn)速越高，圓周速度越大，流量越大，軸向速度越大.兩者合成絕對速度，絕對速度增大帶來進口區(qū)域動能的增加，從而降低進口處壓力場壓能分布.結合汽蝕曲線可以推測：在中低轉(zhuǎn)速下，流量增大，所帶來的軸向速度增大，與周向速度合成后，絕對速度的幅值增大，動能增大，從而造成進口壓力降低，所以此時小流量下抗汽蝕性能相對大流量下較好.而在高轉(zhuǎn)速下，由于周向速度較大，因此在推力盤進口壁面產(chǎn)生較大沖擊損失.此外，隨著流量的增大，周向速度的沖擊損失隨著軸向速度的增大而增大，導致絕對速度隨著流量增大而減小，壓能增高，推力盤作輔助葉輪的抗汽蝕性能增強.

在同一流量下，隨著轉(zhuǎn)速的變化，各溫度下的抗汽蝕性能也不相同.以4 m3/h流量點進行分析，在1 500和3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，推力盤作輔助葉輪在70 ℃下，抗汽蝕性能最好，在50 ℃下，汽蝕性能最差.在6 000 r/min下，推力盤作輔助葉輪的抗汽蝕性能優(yōu)劣依次為70 ℃下最佳，50 ℃下次之，30 ℃下最差.說明在不同轉(zhuǎn)速下，溫度對推力盤作輔助葉輪汽蝕性能影響不同.

在相同轉(zhuǎn)速下，以1 500 r/min下汽蝕曲線為例，可以看到當NPSH下降至一定范圍內(nèi)，揚程曲線開始下降，溫度越高其揚程曲線下降越大，同一流量點下，空化熱效應明顯，隨著溫度升高，空化發(fā)生點位置的NPSH減小，結合本試驗裝置，說明推力盤作輔助葉輪工作在1 500 r/min下時，當試驗系統(tǒng)初始進口壓力保持不變時，溫度越高，其抗汽蝕性能越好，但是溫度越高，其發(fā)生空化過程持續(xù)越短.分析整個汽蝕過程，當揚程開始微弱下降時，推力盤徑向孔流道中可能出現(xiàn)較少量氣泡流動，當汽蝕余量繼續(xù)下降后，氣泡大量產(chǎn)生，逐步堵塞整個徑向孔流道，從而造成揚程曲線急速下降.結合在相同溫度的不同流量工況下，對比嚴重汽蝕點發(fā)生的NSPHs值可知，小流量下的推力盤作輔助葉輪汽蝕性能優(yōu)于大流量工況.

4 結 論

1)區(qū)別于傳統(tǒng)離心泵，推力盤作輔助葉輪流量覆蓋范圍與轉(zhuǎn)速沒有明顯關系，且轉(zhuǎn)速變化定律不再適用于由轉(zhuǎn)速變化引起的揚程變化.

2)溫度越高，推力盤作輔助葉輪抗汽蝕性能越好，發(fā)生空化過程持續(xù)越短.中低轉(zhuǎn)速下，小流量下作輔助葉輪抗汽蝕性能優(yōu)于大流量，在高轉(zhuǎn)速下，大流量下抗汽蝕性能優(yōu)于小流量.