基于環(huán)對(duì)稱摻氣的液體射流泵試驗(yàn)研究

李夢(mèng)秋，陳云良，華有明，徐永

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

pressure pulsation

液體射流泵指的是工作液與被吸液均為液體的射流泵(以下簡(jiǎn)稱射流泵).射流泵通過(guò)紊動(dòng)擴(kuò)散作用傳遞能量與動(dòng)量，這個(gè)過(guò)程伴隨著較大的能量損失，導(dǎo)致射流泵的效率偏低.目前，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)改善射流泵性能的研究較多.SHEHA等[1]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出，射流泵最優(yōu)面積比為0.271，喉管最佳相對(duì)長(zhǎng)度為5.48，效率最大時(shí)擴(kuò)散角為5°.龍新平等[2]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出，喉嘴距為1.0倍噴嘴直徑時(shí)，效率最高；最優(yōu)喉嘴距為0.5～1.5倍噴嘴直徑.冉魯光等[3]對(duì)流線形噴嘴時(shí)的射流泵流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.趙陽(yáng)等[4]提出一種復(fù)合射流泵技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬研究不同中心喉嘴距對(duì)復(fù)合射流泵性能的影響，得出中心喉嘴距的較佳范圍為0.2～0.8倍環(huán)形喉嘴距.

在工作壓力一定的條件下，隨著出口壓力降低，射流泵內(nèi)會(huì)經(jīng)歷初生空化、發(fā)展空化以及劇烈空化等過(guò)程[5]，當(dāng)出口壓力降低至某一數(shù)值后，吸入流量不再隨著出口壓力的進(jìn)一步降低而增加，而是維持在一定數(shù)值上，這一工況稱為射流泵的極限工況.射流泵的空化不僅會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致射流泵效率降低，嚴(yán)重制約射流泵發(fā)展和應(yīng)用.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流泵的空化現(xiàn)象進(jìn)行了很多研究.龍新平等[6]利用B&K加速度儀和水聽器對(duì)空化條件下射流泵各部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了射流泵空化噪聲與振動(dòng)特性.WANG等[5]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出：與傳統(tǒng)的折線形環(huán)形射流泵相比，流線形射流泵吸入室與喉部連接平滑，沒有流動(dòng)分離和局部低壓現(xiàn)象，空化起始與發(fā)展區(qū)域靠近下游，正常工作范圍變寬，效率略有提升，最大提高1.4%.

上述研究表明，摻氣是改善空化性能的有效措施之一.錦屏一級(jí)水電站通過(guò)大軸中心補(bǔ)氣，有效減輕了汽蝕[7].龍新平等[8]提出一種通過(guò)喉管自動(dòng)補(bǔ)氣來(lái)改善射流泵汽蝕性能的技術(shù)，并采用非對(duì)稱方式來(lái)開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)氣能改善喉管內(nèi)的壓力分布，破壞嚴(yán)重空蝕時(shí)的液汽混合激波面；補(bǔ)入的氣體吸收汽泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力和輻射聲能，可有效降低射流泵的空化噪聲和振動(dòng)；在某些情況下補(bǔ)氣可以增大流量比，且性能不會(huì)下降；最優(yōu)補(bǔ)氣位置為距喉管入口1～3倍喉管直徑處.LU等[9]對(duì)射流泵低壓區(qū)補(bǔ)氣開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著吸氣量的增加，射流泵空化數(shù)增大，噪聲減小，下游擴(kuò)散管的壓力脈動(dòng)降低；同時(shí)，壓力比增加了5.7%～18.0%、壓力損失率減少了0.95%～3.46%.

上述研究均采用單側(cè)補(bǔ)氣，空氣進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致喉管內(nèi)的流體偏離主軸方向，出現(xiàn)流場(chǎng)水力不對(duì)稱問(wèn)題，并且僅研究極限工況時(shí)摻氣對(duì)空化性能的影響，小于極限流量比、正常運(yùn)行工況下對(duì)射流泵的影響還缺乏研究報(bào)道.針對(duì)射流泵流場(chǎng)軸對(duì)稱的特點(diǎn)，陳云良等[10]提出一種自動(dòng)均勻補(bǔ)氣減蝕的技術(shù)，通過(guò)在喉管處環(huán)對(duì)稱均勻摻氣，來(lái)改善射流泵性能、提高效率.

文中建立水力試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)液體射流泵開展環(huán)對(duì)稱摻氣試驗(yàn)，研究喉管摻氣對(duì)射流泵性能的影響，包括正常運(yùn)行各流量比工況和極限流量比工況.試驗(yàn)成果可為改善射流泵性能提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置與儀器

試驗(yàn)裝置如圖1所示.通過(guò)外接水管為水箱供水，為了保證試驗(yàn)時(shí)水位穩(wěn)定，水箱中設(shè)置溢流板.工作液和被吸液均來(lái)自水箱，混合液排入水箱.由潛水泵從水箱中抽取水流加壓形成工作液，通過(guò)安裝在工作管上的閥門控制工作液的流量.設(shè)置在工作管上的渦輪流量計(jì)和壓力表分別測(cè)量工作液的流量和壓力.設(shè)置在出水管上的渦輪流量計(jì)和壓力表分別測(cè)量混合液的流量與壓力.通過(guò)安裝在出水管上的閥門改變射流泵出口壓力，控制混合液的流量.摻氣孔設(shè)置在喉管進(jìn)口斷面附近.沿喉管到擴(kuò)散管末端布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿水流方向依次編號(hào)①—⑤號(hào).①—⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)分別布置在距喉管進(jìn)口斷面下游120，200，280，406和566 mm的位置.測(cè)點(diǎn)外接壓力傳感器，通過(guò)壓力采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量和采集①—⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù).

圖1 試驗(yàn)裝置圖

射流泵如圖2所示.

圖2 射流泵示意圖

高壓工作液經(jīng)由噴嘴射出，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.噴嘴出口處水流處于低壓高速狀態(tài)，卷吸被吸液進(jìn)入射流泵.由于工作液與被吸液存在極大的速度梯度，二者在喉管入口段和喉管進(jìn)行能量與動(dòng)量的交換，形成混合液.混合液經(jīng)過(guò)擴(kuò)散管后，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，沿出水管流出.摻氣具體結(jié)構(gòu)如斷面A-A所示，在喉管進(jìn)口段面附近對(duì)稱設(shè)置3個(gè)摻氣孔，外接進(jìn)氣管，3個(gè)進(jìn)氣管與主進(jìn)氣管相連.通過(guò)設(shè)置在主進(jìn)氣管上的氣體流量計(jì)控制進(jìn)入射流泵的氣體流量.氣體流量計(jì)與摻氣孔之間的主進(jìn)氣管上設(shè)置止回閥防止射流泵內(nèi)流體進(jìn)入氣體流量計(jì).射流泵具體尺寸：噴嘴出口直徑Dj=20 mm,吸入室收縮角α=30°,喉嘴距Lc=20 mm,喉管直徑Dt=40 mm,喉管長(zhǎng)度Lt=280 mm,擴(kuò)散管擴(kuò)散角β=8°,擴(kuò)散管長(zhǎng)度Ld=286 mm,出水管直徑Dc=80 mm.

工作液的流量通過(guò)LWY-50F型渦輪流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量范圍為4～40 m3/h，精度為0.5%.工作液的壓力采用Y100型壓力表測(cè)量，測(cè)量范圍為0～1 MPa，精度為1.6%.混合液的流量通過(guò)LWY-80F型渦輪流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量范圍為10～100 m3/h，精度為0.5%.混合液的壓力采用Y100型壓力表測(cè)量，測(cè)量范圍為0～0.16 MPa，精度為1.6%.①—⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)CY200型壓力傳感器測(cè)量，測(cè)量范圍為-100～200 kPa，精度為0.1%.摻氣流量通過(guò)DK800-6型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量范圍為0.35～3.50 m3/h.

1.2 基本參數(shù)

射流泵流量比q計(jì)算公式為

(1)

式中：下標(biāo)s，j分別為被吸液和工作液；Qs為被吸液的流量；Qj為工作液的流量.

射流泵壓力比h計(jì)算公式為

(2)

式中：下標(biāo)c為混合液；pc，ps和pj分別為混合液、被吸液和工作液的平均壓力；vc，vs和vj分別為混合液出口斷面、被吸液進(jìn)口斷面和工作液進(jìn)口斷面的平均流速；zc，zs和zj分別為出水管、吸水管和工作管的安裝位置；g為重力加速度.

射流泵效率η計(jì)算公式為

(3)

摻氣率C計(jì)算公式為

(4)

式中：Qa為空氣流量；Qc為混合液的流量.

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)時(shí)工作液流量保持固定.先開展未摻氣時(shí)的試驗(yàn)，調(diào)節(jié)出水管閥門、改變出口壓力從119.11調(diào)節(jié)到29.95 kPa，獲得各流量比工況q=0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70和0.74(極限工況)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

然后對(duì)各流量比的工況進(jìn)行摻氣試驗(yàn)，摻氣率分別設(shè)為C=1.0%，2.0%，3.0%，4.0%和5.0%.摻氣試驗(yàn)具體流程如下：① 調(diào)節(jié)工作管與出水管上的閥門至給定流量比，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)閥門至摻氣率C=1.0%，預(yù)熱傳感器；② 等待10 min，待工況穩(wěn)定，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量并記錄①—⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)(采集頻率為1 000 Hz，時(shí)長(zhǎng)為2 min)，測(cè)量并記錄工作壓力、工作流量、出口壓力、出口流量；③ 調(diào)節(jié)工作管與出水管上的閥門固定流量比不變，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)的閥門開度至給定摻氣率C=2.0%，3.0%，4.0%和5.0%，每調(diào)節(jié)一次摻氣率，重復(fù)一次步驟②；④一個(gè)流量比工況測(cè)量完成后，重復(fù)步驟①，②和③，進(jìn)行下一流量比工況測(cè)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 性能曲線

圖3為不同摻氣率條件下射流泵的性能曲線.

圖3 不同摻氣條件下射流泵的性能曲線

未摻氣條件下，在未達(dá)到極限流量比時(shí)，隨著流量比增加，壓力比近似線性減少.當(dāng)出口壓力降低至38.58 kPa，流量比達(dá)到最大值0.74，此后不再隨著壓力比的降低而增加，此時(shí)的工況即為極限工況，相應(yīng)的流量比稱為極限流量比.極限流量比是衡量射流泵工作范圍的重要指標(biāo).

少量摻氣后，在未達(dá)到極限流量比時(shí)，性能曲線總體高于未摻氣時(shí)的性能曲線，發(fā)現(xiàn)同一流量比下射流泵壓力比略有增加.說(shuō)明摻氣能提高射流泵的效率.極限工況情況下，摻氣后射流泵流量比有所增加，極限流量比由0.74增至0.77.也就是說(shuō)，摻氣能增大射流泵的工作范圍.因此，合理的喉管摻氣能改善液體射流泵在各流量比工況下的性能.

引入量綱一化效率變化率參數(shù)eη，研究摻氣前后射流泵效率的變化情況，即

(5)

式中：η為某工況和某摻氣率下射流泵的效率；η0為同一工況下，未摻氣時(shí)的效率.

圖4為未到達(dá)極限流量比時(shí)效率變化率與流量比的關(guān)系.從圖中可以看出，摻氣率為1.0%，2.0%和3.0%時(shí)，射流泵整體效率提升穩(wěn)定；而摻氣率為4.0%和5.0%時(shí)，射流泵的整體效率并沒有穩(wěn)定提升.這是因?yàn)樯倭繗怏w由摻氣孔進(jìn)入射流泵之后，被射流泵內(nèi)的液體攜帶貼著管壁流動(dòng).摻入的氣流可以降低近壁面水流的黏度，導(dǎo)致阻力降低[11]，射流泵效率提升.隨著摻氣率增加，過(guò)量的氣體造成了射流泵內(nèi)能量損失增加，效率不再穩(wěn)定提升.摻氣率1.0%時(shí)，eη為0.3%～3.4%；摻氣率2.0%時(shí)，eη為0.6%～3.1%；摻氣率3.0%時(shí)，eη為0.8%～4.4%；摻氣率4.0%時(shí)，eη為-1.3%～4.9%；摻氣率5.0%時(shí)，eη為-2.1%～4.2%.效率變化率增值為0.3%～4.9%；且流量比接近極限流量比時(shí)，摻氣后增效明顯，為2.2%～4.9%.通過(guò)上述分析可知，射流泵最優(yōu)摻氣率為2.0%～3.0%，射流泵在此摻氣條件下運(yùn)行時(shí)，其效率提升穩(wěn)定.

圖4 效率變化率與流量比的關(guān)系曲線

2.2 壁面壓力分布

圖5為射流泵沿程壁面壓力的分布情況.可以發(fā)現(xiàn)，未達(dá)到極限流量比(見圖5a,b)時(shí)，摻氣后位于喉管上的①號(hào)和②號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力整體變化不大，位于擴(kuò)散管的③號(hào)、④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力整體略有升高.以⑤號(hào)為例，摻氣5.0%后，流量比0.20時(shí)，壓力由119.11 kPa增至120.23 kPa；流量比0.40時(shí)，壓力由91.82 kPa增至92.98 kPa.

圖5 射流泵沿程壁面壓力分布

隨著出口壓力進(jìn)一步降低，射流泵達(dá)到極限工況，未摻氣時(shí)流量比保持不變(見圖5c).射流泵出口壓力降至35.77 kPa.摻氣5.0%后，①號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力由-69.47 kPa增至-42.92 kPa，②號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力由-29.81 kPa增至-23.05 kPa，③號(hào)、④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化幅度不大.繼續(xù)降低射流泵出口壓力至33.12 kPa，空化加劇(見圖5d).摻氣4.0%后，①號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力由-75.47 kPa增至-53.72 kPa，②號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力由-40.39 kPa增至-27.70 kPa，③號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力由-15.89 kPa增至-13.48 kPa，④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化不大.

由此可見，未到達(dá)極限流量比工況、特別是小流量比時(shí)，摻氣后升壓區(qū)主要位于擴(kuò)散管段，對(duì)喉管內(nèi)壓力影響較小.極限流量比工況時(shí)，喉管內(nèi)壓力較低，摻氣后喉管內(nèi)壓力提升明顯；隨著出口壓力進(jìn)一步降低，摻氣后壓力提升范圍向下游延伸.

2.3 極限工況壓力脈動(dòng)

未到達(dá)極限流量時(shí)，射流泵運(yùn)行平穩(wěn)、壓力波動(dòng)并不劇烈.極限工況時(shí)，射流泵發(fā)生空化、導(dǎo)致泵體產(chǎn)生振動(dòng)、壓力脈動(dòng)劇烈，造成射流泵穩(wěn)定性和效率降低.試驗(yàn)主要對(duì)極限流量比時(shí)的射流泵壓力脈動(dòng)展開研究.圖6為極限工況(q=0.74)時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)摻氣前后通過(guò)傳感器測(cè)得的壓力脈動(dòng).

以剛進(jìn)入極限工況為例(見圖6a)：未摻氣時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為43.54，25.22，36.47 kPa；摻氣率2.0%時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為43.05，26.83，31.41 kPa；摻氣率4.0%時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為36.30，19.74，23.50 kPa.可以看出，隨著摻氣率的增加，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì).

進(jìn)一步降低出口壓力(見圖6b)，未摻氣時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為16.62，51.26，36.39 kPa；摻氣率2.0%時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為34.17，48.38，30.37 kPa；摻氣率4.0%時(shí)，①號(hào)、②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值為35.33，38.92，23.91 kPa.①號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)加劇的原因如下：隨著出口壓力降低，射流泵空化加劇，喉管低壓區(qū)瞬時(shí)壓力值大部分接近液體的汽化壓力，所以壓力脈動(dòng)并不劇烈.摻入氣體之后，射流泵壓力有所提升，喉管低壓區(qū)壓力高于汽化壓力，壓力脈動(dòng)有所增加.極限工況時(shí)摻氣能提高射流泵喉管壓力、改善空化.因此②號(hào)和④號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值在摻氣之后減少，表明：摻氣能減弱射流泵下游的壓力脈動(dòng).

①號(hào)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)與前文描述一致，并且從圖7b可以看出，①號(hào)壓力脈動(dòng)方差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).如文中所述，方差增大是因?yàn)閴毫μ嵘?，脈動(dòng)加劇，而之后的方差減小則是因?yàn)閾綒馐沟脡毫γ}動(dòng)減弱.②號(hào)、③號(hào)、④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)方差均隨著摻氣率的增加而減小.相較于②號(hào)、④號(hào)和⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)，③號(hào)測(cè)點(diǎn)位于喉管末端附近，壓力脈動(dòng)方差最小.而對(duì)比2個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著出口壓力降低，射流泵內(nèi)空化加劇，②號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)顯著增強(qiáng).這是因?yàn)殡S著射流泵出口壓力降低，泵內(nèi)最低壓力區(qū)向喉管內(nèi)發(fā)展，空化云也向著喉管內(nèi)延伸.

圖6 射流泵壓力脈動(dòng)

圖7 不同摻氣條件下的壓力脈動(dòng)方差

因此，通過(guò)對(duì)比不同摻氣條件下的壓力脈動(dòng)方差，在極限流量比工況時(shí)，摻氣能提高射流泵喉管壓力，使其高于液體的汽化壓力，從而改善空化現(xiàn)象，減弱下游壓力脈動(dòng)，提高性能.

3 結(jié) 論

1) 適量摻氣后，未達(dá)到極限流量比時(shí)壓力比總體略有提升，效率變化率增量為0.3%～4.9%，接近極限流量比時(shí)效率提升明顯.射流泵摻入少量氣體后，被泵內(nèi)液體攜帶著貼管壁流動(dòng)，有降低阻力的作用，傳能效率有所提高.

2) 實(shí)測(cè)表明：摻氣后射流泵極限流量比有所增加，由0.74增至0.77.摻氣能改善射流泵空化性能，同時(shí)擴(kuò)大了正常運(yùn)行范圍.

3) 未達(dá)到極限流量比時(shí)，摻氣后擴(kuò)散管段壓力略有提升；極限工況下?lián)綒?，射流泵喉管壓力提升，并且隨著出口壓力減低，壓力提升范圍向下游延伸至擴(kuò)散管.

4) 極限工況時(shí)，空氣自然吸入喉管，減免射流泵空化現(xiàn)象.實(shí)測(cè)表明：喉管及擴(kuò)散管內(nèi)的壓力脈動(dòng)明顯減弱，運(yùn)行穩(wěn)定性改善明顯.

5) 研究表明喉管環(huán)對(duì)稱摻氣，既能改善射流泵空化性能，對(duì)正常運(yùn)行工況也有增效作用，較優(yōu)的摻氣率為2.0%～3.0%.此外，射流泵關(guān)鍵尺寸變化、摻氣孔位置等因素均會(huì)影響環(huán)對(duì)稱摻氣性能，還需在今后進(jìn)一步開展研究.