混流泵瞬態(tài)啟動性能及空化流場可視化試驗研究

鄒俊杰，潘強，張德勝

(1. 江蘇航運職業(yè)技術學院輪機工程學院， 江蘇 南通 226010; 2. 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)

混流泵同時具有軸流泵流量大與離心泵揚程高的特點，其工作高效區(qū)較寬，在農業(yè)灌溉與市政給排水以及南水北調工程等領域應用廣泛.混流泵瞬態(tài)啟動特性十分復雜，其加速運行時不僅會帶來流量和揚程的無規(guī)律變化，例如泵運行于啟動加速工況時，其流量、轉速、揚程等外特性運行參數(shù)曲線都會發(fā)生有規(guī)律或無規(guī)律的變化，流場甚至產生從層流到轉捩甚至湍流等流動狀態(tài)的改變，引發(fā)泵內產生交互作用的葉道渦、葉頂泄漏渦等多種流動結構，嚴重時還會誘導局部空化，威脅泵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性.

近年來，混流泵瞬態(tài)啟動特性研究逐漸得到國內外學者的重視.混流泵啟動空化與水力特性、流態(tài)、渦態(tài)變化等因素有關[1]，啟動初期外特性主要受加速項影響，后期流動慣性的影響占主導，線性啟動的沖擊特性隨著啟動時間的增加而逐漸減弱，指數(shù)啟動的沖擊現(xiàn)象主要體現(xiàn)在啟動初始時刻，且啟動時間越短，啟動瞬間空化激振就越大.謝昀彤[2]采用大渦模擬方法揭示了混流泵內部瞬態(tài)流場特征，包括速度場、壓力場和渦量場的演變規(guī)律.大流量泵葉輪內流體能量增長方式不同，對泵水力特性的影響也有差異.采用不同方法，如總體歐拉揚程分布、S1流面歐拉揚程分布以及展向歐拉揚程分布，研究不同幾何參數(shù)對大流量泵水力性能及非定常徑向力的影響時，不同含氣率對混流泵葉輪內部運行過程中的流態(tài)及壓力狀態(tài)的影響也不一樣.文獻[3-6]通過混流泵啟動性能試驗發(fā)現(xiàn)，當混流泵進口壓力低于臨界汽蝕壓力時出現(xiàn)空化，空泡團運動發(fā)展后造成泵流量和揚程徒降，而空化產生前的混流泵性能與無空化啟動條件下的性能一致.周強等[7]結合SST湍流模型和Zwart空化模型預測了混流泵加速流空化特性，將空化分為無空泡、空泡增長、空泡減少和空泡穩(wěn)定4個階段.李偉等[8-12]分析了混流泵啟動過程中進口回流的形態(tài)及其產生原因，并將流量和揚程曲線分為緩慢上升、快速上升和趨于穩(wěn)定3個階段，解釋了混流泵加速末期裝置獲得瞬時沖擊揚程的物理過程，并探討了混流泵啟動過程轉子軸心軌跡對機組運行穩(wěn)定性的影響.王樂勤等[13]基于混流泵內特性建立了泵瞬態(tài)水力特性數(shù)學模型，并驗證了該模型在預測泵開機時的瞬態(tài)水力特性的正確性.顧琦[14]對不同葉片數(shù)下混流泵的加速流特性和混流泵啟動過程中的瞬態(tài)空化特性進行研究，分析了類似三角形的空泡云及其動態(tài)變化特征.WU等[15-16]通過試驗研究了離心泵啟動時的瞬態(tài)空化特性，認為瞬態(tài)加速過程對空化有一定的抑制作用.此外，無論在混流泵、軸流泵還是貫流泵中，葉頂間隙產生的泄漏流對泵的啟動性能具有一定影響[17]，泄漏流與主流相互干涉并形成卷吸，導致葉頂泄漏渦的出現(xiàn)，而旋渦中心的壓力較低，這很可能導致空化提前出現(xiàn)[18-19].結合數(shù)值模擬方法、高速攝影和PIV試驗技術[20-22]，學者發(fā)現(xiàn)軸流泵葉輪內的空化結構，包括葉片表面的片狀空化、云狀空化，以及葉頂間隙空化和泄漏渦空化，為解釋空化的產生、發(fā)展和演變奠定了基礎.

文中通過搭建混流模型泵瞬態(tài)啟動特性及空化流場可視化試驗平臺，結合外特性測量和高速攝影對泵啟動特性及泵內流場空化形態(tài)進行記錄，分析混流泵在不同啟動條件下的瞬態(tài)流場空化特性，研究混流泵啟動過程特別是啟動初始階段泵內流場特性及空化發(fā)展規(guī)律，進而揭示混流泵瞬態(tài)啟動過程中的空化特性.

1 試 驗

1.1 試驗裝置

試驗采用Φ250 mm混流泵模型，利用江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心試驗平臺進行啟動外特性試驗及空化流場高速攝影，試驗平臺系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 試驗平臺系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Sketch of test system

混流泵模型參數(shù)分別為進口直徑D0=90 mm，葉輪葉片數(shù)Z=3，導葉葉片數(shù)Zd=5，葉頂間隙tc= 0.25 mm，設計流量Qd=126 L/s，設計揚程H= 2.99 m，轉速n=1 450 r/min，比轉數(shù)ns=829.混流泵葉輪和導葉采用不銹鋼材質，為保證攝影效果，整個轉輪室采用有機玻璃制造，如圖2所示.

圖2 Φ250 mm混流泵模型

試驗測量儀器主要包括壓力變送器、渦輪流量計、轉矩轉速傳感器，通過江蘇大學自主研發(fā)的泵參數(shù)測量儀(見圖3)采集各數(shù)據(jù).

圖3 泵參數(shù)采集儀

在不同啟動條件下，采用高速攝影記錄混流泵啟動過程中空化初生及空泡團形態(tài)演變.試驗采用美國IDT公司生產的Y-Series 4L高速攝影機，拍攝速率可達25.6萬幀/s，且能保證最小像素點為14 μm×14 μm的拍攝精度.試驗時，考慮到葉輪在運轉中光線不足以及不易聚焦，在轉輪室兩側分別配置補光燈，如圖4所示.

圖4 高速攝影裝置

1.2 試驗參數(shù)統(tǒng)計

轉速轉矩儀在試驗前需調零.在泵進口、出口的閥門完全開啟的情況下啟動混流泵，泵的轉速由變頻器調節(jié)至1 450 r/min的額定轉速，通過控制出口閥的開度使泵的流量達到試驗工況點，標記變頻器頻率，并將該值設定為混流泵加速啟動的最終頻率，混流泵啟動時間由變頻器加速時間決定.

工作介質為常溫狀態(tài)下的清水.為了在混流泵啟動過程中記錄空化流場特性，首先開啟增壓泵和混流泵，使循環(huán)水在管路系統(tǒng)中運行約30 min，逐步排出管道內空氣.隨后關閉循環(huán)水箱頂部的通氣閥門，開啟與真空泵相連接的閥門，打開真空泵不斷抽出循環(huán)水箱內的空氣，在水箱內產生負壓，使得混流泵進口壓力低于大氣壓.間斷開關真空泵，直到泵進口測壓計讀數(shù)達到目標壓力值.

試驗過程中，混流泵揚程、軸功率和效率的計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

2 試驗結果及分析

2.1 無空化啟動時混流泵的瞬態(tài)性能

混流泵無空化啟動時，循環(huán)水箱接通大氣，真空泵未工作，葉輪進口壓力高于大氣壓.

2.1.1 不同啟動時間下混流泵外特性

根據(jù)混流泵啟動過程中所采集的外特性數(shù)據(jù)，圖5給出了額定流量工況下，啟動時間Ts分別為10.0，15.0，20.0 s時，混流泵轉速、揚程以及流量相對于時間的變化曲線.

圖5 不同啟動時間下混流泵的外特性曲線

由圖5可以看出，在不同啟動時間下，混流泵流量相對于轉速變化的跟隨性較好，當泵轉速達到設計轉速時，流量和揚程也達到最大值.混流泵的瞬態(tài)揚程在啟動初期存在延遲，其原因在于，啟動初期泵的轉速較低，葉輪對介質的做功能力小，局部液流獲得的壓能少，且從葉輪泵腔到測壓點的沿程及局部水力損失作用明顯，葉輪難以產生克服損失的揚程，導致啟動初期瞬態(tài)揚程測量值為0.

當啟動時間Ts=10.0 s時，揚程滯后時間約為5.0 s.隨著啟動時間增加至15.0 s，揚程滯后時間延長約2.5 s，而當啟動時間增加至20.0 s時，揚程曲線的滯后時間又延長了約2.5 s.在額定流量工況下，混流泵啟動揚程滯后時間約為啟動時間的50%，其原因在于，啟動時間越長，泵葉輪的轉速加速度越小，葉輪對液流的作功能力越小，導致?lián)P程滯后性明顯.圖5a，5b顯示流量曲線位于轉速曲線的下方或者與之重合，而圖5c中，流量曲線則位于轉速曲線之上，即啟動時間越長，流量增大梯度會明顯大于泵軸轉速加速度，揚程變化曲線達到穩(wěn)態(tài)的滯后時間相對較長.此外，在混流泵達到穩(wěn)定狀態(tài)并保持流量工況不變時，其揚程、流量以及轉速的變化趨勢相似，且在穩(wěn)定狀態(tài)下各參數(shù)的對應數(shù)值也相等.因此，混流泵穩(wěn)態(tài)性能不受啟動時間影響.

2.1.2 不同啟動流量下混流泵外特性

圖6為啟動時間Ts= 20.0 s時，不同流量工況下混流泵的流量、轉速和揚程關系曲線.

圖6 不同流量工況下混流泵的啟動外特性曲線

由圖6可以看出，混流泵的流量、揚程和轉速均同時達到峰值，與2.1.1節(jié)結果一致.在不同流量工況下，混流泵啟動揚程存在滯后性，且延遲時間與流量大小有關，1.2Qd工況相對于1.0Qd工況的啟動揚程滯后了約2.0 s，相對于0.8Qd工況則滯后了約8.0 s.小流量工況啟動時，泵揚程相對于泵轉速增加的同步性更好，這是由于大流量工況啟動導致混流泵較高的流量增長速率，且高于小流量工況啟動，使得葉輪泵腔到測壓點的沿程損失和局部損失影響更大.大流量工況啟動下的流量隨時間的增加梯度明顯高于小流量工況，此外，混流泵在大流量工況啟動時，轉速變化曲線在流量變化曲線下方，即泵流量的變化速率大于泵轉速的變化速率，單位體積液流獲得的能量減少，而需克服的損失和阻力增加，使揚程達到穩(wěn)定狀態(tài)所經歷的延后時間增大.

2.2 空化啟動時混流泵的空化形態(tài)及演變

空化啟動時，循環(huán)水箱封閉，真空泵工作，葉輪進口壓力為負壓，且可通過真空泵調節(jié).

2.2.1 不同啟動時間下混流泵的空化性能

圖7給出了額定流量工況且進口壓力70 kPa下，分別采用啟動時間Ts=10.0，15.0，20.0 s時，泵內部流場空化狀態(tài)發(fā)展過程的高速攝影結果.每個啟動時間取4個時刻拍攝，對應0.3，0.6，0.8和1.0倍的啟動時間，即對應時刻下的轉速一致.

由圖7a可以看出，啟動時間Ts=10.0 s時，泵在啟動初期(t<6.0 s)內流場沒有空化產生，其原因主要是啟動初期泵內沒有產生較大的壓力梯度，泵內流場壓力穩(wěn)定且分布基本均勻.隨著啟動過程的推進，在t=8.0，10.0 s時刻，葉頂間隙處產生空化并逐漸發(fā)展，這是由于轉速增大，泵內流場主流速度增大，且在葉輪壓力面與葉背之間產生更高的壓力梯度，誘導葉頂間隙區(qū)產生壓力面流向葉背的泄漏流，主流與泄漏流的流向不一致，相互卷吸形成泄漏渦.由于渦心壓力較低，泄漏渦局部壓力低于飽和蒸汽壓時產生空化，并逐漸演變成大面積的空泡云.

由圖7b，7c可以看出，空化規(guī)律與圖7a相似，但空化發(fā)展更快，面積更大，從輪緣擴大到了流道.由此可見，延長混流泵啟動時間會導致更為嚴重的空化.此外，隨著啟動時間的增大，空泡云沿葉輪周向逐漸呈現(xiàn)“長條狀”，這是由于當啟動時間增大時，達到相同轉速下葉片葉尖劃過的圓周方向長度增大，導致空泡云沿圓周方向拉長.結合圖5進一步分析可知，啟動時間增加造成流量變化率高于轉速變化率，葉輪對單位質量流體做功減弱，介質獲得的壓能降低，使空化發(fā)展更為迅速.這一現(xiàn)象對于長期處于頻繁啟動條件下的混流泵具有指導意義，在實際操作、運行和管理過程中，盡可能選用較小的啟動時間，從而改善混流泵啟動時的空化性能.

2.2.2 不同進口壓力下混流泵的啟動空化性能

圖8為額定流量工況下，啟動時間Ts=10.0 s，不同進口壓力時泵內部流場空化形態(tài)及演變，其中每個進口壓力下取4個時刻進行拍攝.

圖8 不同進口壓力下泵啟動的空化現(xiàn)象

由圖8可以看出，在t=6.0 s時刻，葉頂間隙處最先發(fā)生空化現(xiàn)象，且隨著啟動過程的推進，空化程度逐漸加劇，空泡團發(fā)展并增大.

當進口壓力為40 kPa時，空泡團發(fā)展明顯快于進口壓力較高時，空泡面積由葉輪輪緣蔓延至流道，并逐漸對流道產生部分堵塞，可以看到明顯的“三角狀”空泡云.這與圖7中“長條狀”空泡云不同.啟動時間Ts=10.0 s時，空化現(xiàn)象已經較為嚴重，并嚴重影響混流泵的各種運行性能.

此外，對比混流泵在相同時間點、不同進口壓力下的空化發(fā)展情況可知，空化速度及發(fā)展程度受進口啟動壓力的影響，啟動壓力小使得混流泵的有效汽蝕余量相應降低，促使泵內流場空化提前，空化面積增加，程度加劇.在實際操作、運行與管理過程中，盡可能提高混流泵的進口啟動壓力，可減小啟動過程空化現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展.

2.2.3 不同流量工況下混流泵啟動空化性能

圖9為混流泵啟動時間Ts=20.0 s，進口壓力p=40 kPa時，不同流量工況下4個時刻泵內空化流場特征.可以看出，混流泵在不同啟動流量工況下，其內部均是在葉頂間隙處最先發(fā)生空化，并隨啟動時間推進而逐漸發(fā)展到流道.

在不同流量工況下，均觀測到“三角狀”空泡云，以不同啟動流量下的最后一張空化流場為例，空泡三角形沿液流方向的投影長度隨著流量的減小而縮短，說明空泡云的發(fā)展和傳播受到了主流方向及主流速度的影響.

結合圖6可以發(fā)現(xiàn)，當混流泵在大流量工況下啟動時，泵的瞬態(tài)流量一直保持較大值，即大流量工況下啟動使得泵主流軸向速度相對較大，促進了空化沿主流方向傳播.

此外，通過對比不同啟動流量、相同拍攝時刻下的空化流場可知，相較于小流量工況，大流量工況啟動下混流泵內部空化流場發(fā)展更快，面積更大，空化相對嚴重.究其原因在于，啟動流量較大時，流量增大速率大于葉輪轉速變化率，葉輪對單位質量液流的做功減弱，介質獲得的壓能降低.同時，大流量工況下液流的流速較大，壓力較低，導致空化發(fā)展更為嚴重.

綜上所述，在混流泵的操作、運行與管理中，應該盡量避開混流泵在大流量工況下啟動，以改善啟動過程中的空化性能.

圖9 不同流量工況下泵的啟動空化現(xiàn)象

3 結 論

通過搭建混流泵瞬態(tài)啟動試驗臺，結合泵外特性試驗和高速攝影技術，研究了混流泵瞬態(tài)啟動時性能及誘導的空化流形態(tài)演變，得到如下結論：

1) 在不同啟動時間和啟動流量下，混流泵流量和揚程相對于轉速同時達到穩(wěn)態(tài)峰值，三者具有較好的同步性，啟動條件對混流泵達到穩(wěn)態(tài)運行時的性能沒有影響.

2) 混流泵揚程在啟動初始階段相對于流量和轉速具有滯后性.在額定流量工況下，隨著啟動時間的變化，混流泵啟動揚程滯后時間約為啟動時間的50%.當啟動時間相同時，降低啟動流量可緩解泵揚程變化的滯后性.

3) 瞬態(tài)啟動時，混流泵葉頂間隙處最先產生空化現(xiàn)象，并逐漸發(fā)展到流道.隨著啟動時間的延長，達到相同轉速下葉片葉尖劃過的圓周方向長度增大，空泡云形狀為“長條狀”.相同啟動時間下，減小進口壓力或增大流量，空泡云沿液流軸向生長的速度增大，呈現(xiàn)出“三角狀”.

4) 縮短啟動時間、增加泵進口啟動壓力和減小啟動流量可有效抑制混流泵啟動空化.對于頻繁啟動的混流泵，在負載條許允許的情況下，可采用上述3種方式改善啟動空化性能，確保混流泵啟動過程的平穩(wěn)性.