低功耗小型低溫流體離心泵設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

符號(hào)表

葉片出口寬度

葉輪進(jìn)口有效直徑

葉輪外徑

揚(yáng)程

轉(zhuǎn)速

以食品藥品警察為依托，“兩法銜接”工作取得新成效。2013年以來，佛山市食品藥品監(jiān)管局與市公安局聯(lián)合，先后成立了食品藥品聯(lián)合執(zhí)法辦公室和食品藥品犯罪偵查支隊(duì)，出臺(tái)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)食品藥品執(zhí)法協(xié)作的通知》等文件，逐步形成案前會(huì)商研判、公安提前介入、現(xiàn)場(chǎng)各司其責(zé)、事后分工配合的良性工作機(jī)制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，兩部門聯(lián)合行動(dòng)50多次，移交案件366宗；2016年，聯(lián)合查處多起重大案件，食品藥品“兩法銜接”成效顯著。

輸入功率 Δ

泵進(jìn)出口壓差

流量

效率

毛澤東心中的“中國夢(mèng)”，既是強(qiáng)國夢(mèng)，也是富民夢(mèng)，夢(mèng)想有一天把國家建設(shè)成世界上最發(fā)達(dá)、最文明的國家，人民改造成為世界上最先進(jìn)、最文明的人。雖然有時(shí)急于求成，忽視了客觀規(guī)律，但是這中間透出了的是民族精神和民族力量。干事業(yè)就是要得“一股子勁”！撫今追昔，毛澤東為夢(mèng)的奮斗給我們留下的是一種精神、一種信念、一種激勵(lì)和一種希望。如今的中國日益強(qiáng)大，人民生活和民族素質(zhì)不斷提高，毛澤東當(dāng)年的夢(mèng)想有的已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但人類追夢(mèng)的過程永無止境，我們現(xiàn)在正聚氣凝神為全面建成小康社會(huì)而努力奮斗，只要我們堅(jiān)持毛澤東思想和中國特色社會(huì)主義理論體系，堅(jiān)定不移走中國特色社會(huì)主義道路，現(xiàn)代化和民族復(fù)興的“中國夢(mèng)”一定能夠?qū)崿F(xiàn)！

在航空航天、工業(yè)制造業(yè)以及科研院所等研究領(lǐng)域中,低溫流體的輸送應(yīng)用需求變得越來越廣泛

。例如,航天在軌熱力排氣系統(tǒng)、小型超導(dǎo)器件冷卻系統(tǒng)、生物醫(yī)療液氮冷卻系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合,總體上需要具有以下特征的低溫流體循環(huán)泵:工作溫區(qū)涵蓋20～120 K,電機(jī)功率小,結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量小,流量小且壓頭較低,氣密性好,可以間歇性反復(fù)啟動(dòng)等。目前,國內(nèi)外成熟應(yīng)用的從液化天然氣到液氫溫區(qū)的低溫泵主要用于大型低溫流體加注、管道增壓輸送,特點(diǎn)為體型大、流量大、揚(yáng)程高、功率大、漏熱大,無法用于小型絕熱管路系統(tǒng)內(nèi)的低溫流體慢速驅(qū)動(dòng)。因此,低功耗小型低溫離心泵的設(shè)計(jì)與研制具有必要性。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的小型低溫泵產(chǎn)品主要來自美國Barber-Nichols公司。該公司為NASA低溫推進(jìn)劑熱力排氣項(xiàng)目定制的BNHP-08型液氫離心泵在馬歇爾飛行中心多功能液氫試驗(yàn)平臺(tái)(MHTB)上獲得應(yīng)用。該泵在液氫工況下,揚(yáng)程最高達(dá)7 m,流量為56 L/min,額定功率約112.5 W

。該公司研制的超流氦傳輸小型低溫泵長度僅約10 cm,流量為13.3 L/min時(shí)壓頭可達(dá)20 kPa

。但是,由于應(yīng)用場(chǎng)合中不涉及兩相流,所以該泵設(shè)計(jì)中不包含抗汽蝕結(jié)構(gòu)。除此之外,美國ACD公司的活塞式低溫泵也滿足小流量低揚(yáng)程特征,但其功率通常在1 kW以上,且體型和質(zhì)量大,同時(shí)活塞結(jié)構(gòu)易損耗,不適合長期使用。國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)近年來也開始關(guān)注小流量低溫泵研制。朱圣良等

參考Barber-Nichols公司為全超導(dǎo)托卡馬克核聚變?cè)囼?yàn)裝置(EAST)提供的超臨界氦循環(huán)泵實(shí)體,設(shè)計(jì)加工了部分流低溫液氮泵,并測(cè)試了其汽蝕特性曲線,得到臨界空化系數(shù)為0.012 6。為了減小泵體漏熱,他們采用了延長軸結(jié)構(gòu),使得泵整機(jī)尺寸偏大。邵雪等

以超臨界氫循環(huán)泵為原型加工了長軸液氮泵,用以研究低溫流體泵內(nèi)流場(chǎng)特性。經(jīng)測(cè)試,該泵流量較小,約為8.4～12 L/min,揚(yáng)程和功率分別為46 m和200 W。文獻(xiàn)[8]報(bào)道了一臺(tái)自研20 L/min小型低溫離心泵,其用途是空間低溫推進(jìn)劑的熱力排氣試驗(yàn)。該泵為潛液泵,工作時(shí)直接浸沒于試驗(yàn)貯罐內(nèi),不便于管路式循環(huán)系統(tǒng)的使用。

吃喝嫖賭，躲著百姓，貪污受賄，防著百姓，子女出國，瞞著百姓，包養(yǎng)情婦，背著百姓，拆遷截訪，欺壓百姓，開會(huì)講話，威嚇百姓，上級(jí)檢查，騙著百姓，出了問題，哄著百姓，工作辦事，刁難百姓，爭(zhēng)權(quán)內(nèi)斗，利用百姓，遇到困難，喊著百姓，真正心里，沒有百姓，貪官橫行，誰憐百姓。

綜上可知,國內(nèi)對(duì)低功耗小流量的小型低溫流體泵設(shè)計(jì)研制只有少數(shù)幾例,國內(nèi)市場(chǎng)上尚不存在成熟的、批量生產(chǎn)的小型低溫離心泵。但是,隨著航天低溫工程、低溫超導(dǎo)、液氫以及液化天然氣計(jì)量加注站等領(lǐng)域的發(fā)展,此類小型低溫泵的需求正逐步提上日程。本文設(shè)計(jì)研制了一款小流量、低功率的小體積低溫流體循環(huán)離心泵,搭建了一套用于小型低溫泵性能評(píng)估的閉式回路測(cè)試系統(tǒng),完成了以液氮為介質(zhì)的低溫離心泵低溫工況性能測(cè)試。相關(guān)研究可為相關(guān)低溫泵的設(shè)計(jì)及測(cè)試提供技術(shù)參考。

1 低功耗小型低溫流體離心泵的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從控制整機(jī)包絡(luò)尺寸的需求出發(fā),總體外觀采用直角型泵體,相比直線型泵體可減小泵身長度,使結(jié)構(gòu)更加小巧緊湊。同時(shí),排液口方向與入口管垂直可以一定程度減小泵內(nèi)流體的流動(dòng)損失。低溫泵主要包含泵殼、葉輪、連接法蘭和電機(jī),外觀如圖1(a)所示,剖面如圖1(b)所示。

濃香型白酒作為四大香型白酒之一，在我國白酒行業(yè)中占有舉足輕重的地位。眾所周知，白酒品質(zhì)及風(fēng)格往往是由各種風(fēng)味物質(zhì)的含量與比例關(guān)系所決定。優(yōu)質(zhì)濃香型白酒中，四大酯類的比例為己酸乙酯＞乳酸乙酯＞乙酸乙酯＞丁酸乙酯[1]。而雜醇油是白酒中最重要的三大芳香組分之一，是3個(gè)碳以上的一元醇類物質(zhì)的總稱，其主要成分是正丙醇、正丁醇、異丁醇、異戊醇等高級(jí)醇[2]。但是，如果白酒中雜醇油含量過高，對(duì)人體有毒害作用，它對(duì)人體的中毒和麻醉作用比乙醇強(qiáng)，能使神經(jīng)系統(tǒng)充血，使人感覺頭疼。它還是白酒苦味和澀味的主要來源之一，同時(shí)也是造成白酒出現(xiàn)白色渾濁的原因之一[3-4]。

泵殼、葉輪等其他部件均采用304不銹鋼加工。由于低溫流體的沸點(diǎn)和汽化潛熱極低,且離心泵內(nèi)葉輪進(jìn)口處壓力較低

,因此在低溫泵工作時(shí)內(nèi)部容易發(fā)生空化現(xiàn)象。流動(dòng)介質(zhì)產(chǎn)生的空泡隨液體從低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)后,急劇收縮、凝結(jié),其周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占空間,由此產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊波將引起葉輪和泵殼振動(dòng)

,甚至導(dǎo)致泵水力機(jī)械效率下降,揚(yáng)程降低,影響使用壽命。流體機(jī)械技術(shù)中在首級(jí)葉輪前添加誘導(dǎo)輪是防止空化或改善泵空化運(yùn)行能力的主要途徑之一

。誘導(dǎo)輪具有小載荷、高稠度、小沖角的特點(diǎn),能使泵適應(yīng)一定程度的汽蝕條件。因此,小型低溫泵葉輪前部加有三葉片的誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu),與葉輪一體加工,同心度高,運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定。進(jìn)液口和排液口均采用VCR接口連接,既有利于保證低溫下的零泄漏,也便于連接管路拆裝。泵殼與隔離套之間采用CF法蘭和銅墊片密封連接。低溫離心泵整體除不銹鋼和鈦合金材料的殼體外,在內(nèi)部葉輪進(jìn)口的間隙以及蝸殼內(nèi)非流道區(qū)域分別采用黃銅材料作密封套及聚四氟乙烯材料做間隙填充,以減少死體積和穿流損失。該低溫離心泵整體包絡(luò)尺寸為132.3 mm×117.2 mm×87.0 mm。

傳統(tǒng)低溫泵往往采用大型常溫電機(jī),導(dǎo)致泵質(zhì)量大且需延長軸結(jié)構(gòu)防漏熱

。為控制泵整機(jī)體型,需嚴(yán)格控制電機(jī)部分的體積和質(zhì)量,采用自制小型三相直流無刷電機(jī),尺寸為

45 mm×28 mm,額定電壓為24 V,最大轉(zhuǎn)速為8 000 r/min,額定功率為85 W。與電機(jī)配合使用的調(diào)速器調(diào)節(jié)泵在運(yùn)行時(shí)的功率及轉(zhuǎn)速,使其靈活適用于多種流量場(chǎng)合。低溫介質(zhì)的泄露會(huì)很大程度減少電機(jī)的使用壽命,為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)與泵電機(jī)間的零泄露,采用隔離套將電機(jī)轉(zhuǎn)子室與定子室分隔

。定子內(nèi)包含星形繞法纏繞線圈,其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)隔離套內(nèi)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的前端與泵轉(zhuǎn)軸相連進(jìn)而帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),即利用永磁體的磁力傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)扭矩的無接觸傳遞。當(dāng)磁力驅(qū)動(dòng)泵的隔離套為金屬材料時(shí),必然產(chǎn)生電渦流損失

,從而一定程度上降低電機(jī)性能和效率。減小隔離套的厚度和選擇電阻率大的材料均可減小渦流損耗的產(chǎn)生

,因此該隔離套采用厚度為0.3 mm的TC4鈦合金進(jìn)行加工制作。

其中，“梨王”單果重量達(dá)831克，口感細(xì)脆多汁、香甜適度，可溶性固形物（主要指含糖量）達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，綜合評(píng)分第一；“葡萄王”則以單穗重1450克，口感酸甜適中、適口性好，糖度高，著色好，果形圓潤，果粒均勻、排列舒緊度適中，果面干凈光滑，果粉量多等優(yōu)勢(shì)，在196穗?yún)①悩悠分屑級(jí)喝盒邸?/p>

1.2 葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試回路由環(huán)氧吊桿懸掛于撬裝絕熱箱體的上蓋板內(nèi)側(cè),閥門及儀表均從上蓋板引出并固定。此外,由于被測(cè)低溫泵需經(jīng)常拆裝,因此再設(shè)置一隔離內(nèi)箱。撬裝絕熱箱體與隔離內(nèi)箱之間填充導(dǎo)熱系數(shù)約為0.02 W/(m·K)的珠光砂保溫。內(nèi)箱側(cè)塞由200 mm厚的聚氨酯泡沫材料制成。

2.3.1 重復(fù)性測(cè)試

分析可知：在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和不同噪聲水平下,EKL相比傳統(tǒng)MDS法在一定程度上降低了節(jié)點(diǎn)的定位誤差,但與傳統(tǒng)MDS和EKL相比,本文提出的MDS結(jié)合KL法的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法顯著降低了定位誤差.不同噪聲水平及不同傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量下,基于MDS法的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位誤差最高接近20%,基于EKL法的定位誤差在7.46%～13.13%范圍內(nèi)變化,而本文提出的MDS和KL聯(lián)合定位方法誤差始終控制在8%以內(nèi),表明此方法可有效應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)下機(jī)器人的定位.

2 低溫離心泵性能測(cè)試與分析

2.1 低溫離心泵性能測(cè)試系統(tǒng)

與常溫流體泵性能測(cè)試相比,實(shí)現(xiàn)低溫流體泵性能測(cè)試的裝置在保溫、閥門、傳感器等各項(xiàng)內(nèi)容上都具有特殊性和挑戰(zhàn)性。除了流體管路器件和傳感器必須耐受深低溫外,絕熱性能的好壞直接影響到管內(nèi)流體是否存在氣液兩相。文獻(xiàn)中報(bào)道的低溫泵測(cè)試系統(tǒng)通常直接將測(cè)試回路浸沒在低溫流體內(nèi)

,或者采取高真空絕熱方法

。前者低溫流體量消耗大且裝置的移動(dòng)與管路拆裝十分不便;后者的高真空條件則對(duì)系統(tǒng)加工集成和真空設(shè)備提出了更高要求。為了克服上述缺陷,本文設(shè)計(jì)和搭建了一套適用于小型低溫泵性能評(píng)估的新型閉式回路測(cè)試系統(tǒng),主要構(gòu)成如圖3所示,包括測(cè)試回路、絕熱保溫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)測(cè)量共3個(gè)單元結(jié)構(gòu)。

測(cè)試回路單元為允許帶壓的封閉回路,主要包括加壓氣罐、高壓液氮儲(chǔ)罐、過濾器、待測(cè)低溫泵、低溫渦輪流量計(jì)、翅片盤管換熱器、常壓液氮儲(chǔ)罐、低溫流量調(diào)節(jié)閥。為了實(shí)現(xiàn)泵入口流體的壓力調(diào)節(jié),在泵入口上游的高壓液氮儲(chǔ)罐上連接一加壓氣罐。通過與氣罐連通的壓力表及氣罐進(jìn)氣閥門、排氣閥門調(diào)節(jié)氣罐內(nèi)壓力,進(jìn)而控制高壓液氮罐內(nèi)的壓力。此配置可使高壓罐內(nèi)的液氮在溫度基本不變的情況下迅速實(shí)現(xiàn)過冷狀態(tài),從而讓過冷液氮流經(jīng)泵體實(shí)現(xiàn)全液工況測(cè)試。借助該裝置可方便地實(shí)現(xiàn)不同壓力水平的泵性能測(cè)試。由高壓儲(chǔ)罐輸出的過冷介質(zhì)在經(jīng)過低溫泵測(cè)試段后,由于泵的自身發(fā)熱以及管路的漏熱,通常會(huì)產(chǎn)生一定的溫升甚至少量氣化。因此,本文系統(tǒng)在泵出口下游設(shè)有常壓液氮罐及翅片盤管換熱器。管內(nèi)的高壓熱流體與管外的常壓77 K液氮充分換熱,被回歸到過冷狀態(tài),流回高壓液氮罐,維持高壓罐內(nèi)介質(zhì)的過冷狀態(tài)。這一換熱過程會(huì)消耗常壓儲(chǔ)罐內(nèi)的液氮介質(zhì),因此其內(nèi)部設(shè)有液位計(jì),在該常壓罐進(jìn)液管路上安置低溫電磁閥,兩者組合根據(jù)液位情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)加。在閉式循環(huán)運(yùn)行過程中,當(dāng)循環(huán)流量較大時(shí),回流液體可能會(huì)以較大流速?zèng)_入高壓儲(chǔ)罐,導(dǎo)致泵入口流體的壓力波動(dòng)。因此,在高壓罐內(nèi)頂部空間設(shè)置類似靜壓室的穩(wěn)流孔板結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流效果。

葉輪作為離心泵內(nèi)最重要的過流和做功部件,其性能很大程度上決定了離心泵的整體水力性能

。從小流量低揚(yáng)程的需求出發(fā),確定設(shè)計(jì)泵的性能指標(biāo):轉(zhuǎn)速6 500 r/min,流量10 L/min,揚(yáng)程5 m(液氮)。采用葉片泵速度系數(shù)設(shè)計(jì)方法

,對(duì)葉輪的基本幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合計(jì)算結(jié)果以及加工工藝因素的考慮,得到最終的基礎(chǔ)幾何尺寸加工值,如表1所示,葉輪內(nèi)各尺寸示意如圖2所示。

數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)單元包括壓力傳感器、溫度傳感器、差壓變送器、低溫渦輪流量計(jì)、液位計(jì)。系統(tǒng)中共安裝有6支溫度計(jì),布點(diǎn)如圖3所示,均為已標(biāo)定的4線制PT100鉑電阻溫度計(jì),精度0.1 K。壓力測(cè)量采用從測(cè)壓點(diǎn)經(jīng)引壓管引至室溫環(huán)境測(cè)量的方法

。為使測(cè)壓點(diǎn)滿足流動(dòng)穩(wěn)定性的要求,測(cè)壓點(diǎn)位置取在泵進(jìn)出口7倍管徑處。兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間設(shè)置有差壓變送器,用于更加精準(zhǔn)地測(cè)量泵前后壓力差值。采用低溫渦輪流量計(jì)測(cè)量回路中的體積流量,流量量程范圍為0～60.6 L/min,精度為±0.5%,測(cè)量誤差為0.3 L/min。測(cè)量儀器量程及精度如表2所示。

2.2 測(cè)試方案

離心泵的外特性性能試驗(yàn)是通過測(cè)量泵的揚(yáng)程、功率與流量的變化關(guān)系,進(jìn)而繪制離心泵的揚(yáng)程-流量、功率-流量以及效率-流量曲線。泵的測(cè)試調(diào)節(jié)操作主要分為兩類:一是在恒定轉(zhuǎn)速下通過改變流通管路閥門開度調(diào)節(jié)流量;二是通過改變泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸入功率。測(cè)試轉(zhuǎn)速為4 500、5 000、5 500、6 000、6 500、7 000、7 500、8 000 r/min。流量調(diào)節(jié)選取8個(gè)流量點(diǎn),均勻分布在全工況可測(cè)量的流量范圍內(nèi)。當(dāng)研究不同入口壓力下低溫泵的工作性能時(shí),轉(zhuǎn)速均控制在額定轉(zhuǎn)速6 500 r/min,流量為12 L/min,入口壓力從表壓800 kPa逐漸降至常壓。結(jié)合圖3,給出具體測(cè)試步驟如下。

(1)打開低溫閥1、2、3和常溫閥5、7,確保排放閥1、2全開,打開電磁閥。高壓氣體進(jìn)口外接氮?dú)馄?將氮?dú)馄可系恼{(diào)壓閥調(diào)至200 kPa后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換氣吹掃,排凈系統(tǒng)內(nèi)的空氣,防止低溫液氮進(jìn)入后使空氣中的水蒸氣等雜質(zhì)氣體冷凝進(jìn)而產(chǎn)生雜質(zhì)堵塞管道。

(2)置換氣體完畢后,關(guān)閉低溫閥3,其余閥門狀態(tài)保持不變。將高壓氣體進(jìn)口外接氦氣瓶。液氮進(jìn)口接頭外接一帶壓液氮杜瓦,向儲(chǔ)罐1、2加注液氮。當(dāng)儲(chǔ)罐2加滿后關(guān)閉電磁閥,當(dāng)儲(chǔ)罐1加滿后關(guān)閉排放閥1和低溫閥1。

在額定轉(zhuǎn)速6 500 r/min下,通過改變閥門開度調(diào)節(jié)流量得到低溫泵揚(yáng)程-流量特性曲線,如圖5所示?？梢钥闯?隨著從系統(tǒng)可測(cè)得的最大流量12 L/min逐漸減小到約9 L/min,低溫泵的揚(yáng)程逐漸增加,在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)10 L/min時(shí)達(dá)到7.12 m。同時(shí),該區(qū)間內(nèi)揚(yáng)程變化最大,約7%,但仍可以較好地穩(wěn)定在6.5 m以上。需要指出的是,當(dāng)流量低于約9 L/min時(shí),揚(yáng)程并沒有隨流量的減小繼續(xù)增加或保持恒定。

(4)通過調(diào)速器控制低溫泵轉(zhuǎn)速達(dá)到待測(cè)工況,待泵前后壓力及差壓計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù),逐漸減小低溫流量調(diào)節(jié)閥開度,流動(dòng)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

除基礎(chǔ)幾何尺寸外,還需確定葉輪的其他設(shè)計(jì)參數(shù),如葉片數(shù)、葉片包角、葉片進(jìn)出口安放角等,進(jìn)一步提高葉輪以及泵的水力性能

。目前,國內(nèi)外低溫離心泵葉輪葉片具體參數(shù)的選取往往直接取決于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。由于低溫泵部件的加工成本以及低溫試驗(yàn)操作的復(fù)雜性,低溫離心泵葉輪葉片的優(yōu)化大多采用CFD理論仿真實(shí)現(xiàn),缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。因此,為節(jié)省研發(fā)成本、縮短研制周期,通過CFD仿真分析液氮和水兩種介質(zhì)在小型低溫離心泵內(nèi)的流動(dòng)相似性,并采用批量3D打印葉輪和常溫水介質(zhì)測(cè)試的方法,快速迭代驗(yàn)證小型低溫離心泵葉輪優(yōu)化的設(shè)計(jì)

。對(duì)于不同的葉片進(jìn)口和出口安放角,測(cè)試結(jié)果顯示其對(duì)小型低溫泵性能影響不明顯。最終,根據(jù)葉片包角(80°～110°)和葉片數(shù)(4～6)取值范圍內(nèi)的參數(shù)化仿真研究和試驗(yàn)測(cè)試,確定葉片包角為90°、葉片數(shù)為6的最優(yōu)參數(shù)取值。詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[20]。

為了獲得穩(wěn)定可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),首先對(duì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速6 500 r/min下的壓差-流量曲線進(jìn)行3次重復(fù)性測(cè)量。在系統(tǒng)中,低溫流量調(diào)節(jié)閥通過輸入4～20 mA的電流對(duì)應(yīng)控制閥門0～100%的開度。將低溫流量調(diào)節(jié)閥的輸入電流分別設(shè)置為20、18、16、14、12、10、8、6 mA,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?本文系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可重復(fù)性高。

全國高校思想政治工作會(huì)議上的講話中強(qiáng)調(diào)，“提升思想政治教育親和力和針對(duì)性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，是新形勢(shì)下提高高校思想政治工作實(shí)效性的關(guān)鍵?！陛o導(dǎo)員是高校思想政治工作隊(duì)伍中的一支專門力量，是大學(xué)生思想政治教育工作一線的教師，擔(dān)負(fù)著高校學(xué)生思想政治工作中的重要任務(wù)。

2.3.2 低溫泵外特性測(cè)試

(3)觀察泵前溫度示數(shù)是否為液氮溫度,若未達(dá)到液氮溫度則開啟低溫閥4且注意控制其處于較小開度狀態(tài)。當(dāng)泵前溫度達(dá)到液氮溫度后,關(guān)閉低溫閥4,打開低溫閥3,將流量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)至最大。打開常溫閥5增壓,當(dāng)氣罐壓力表示數(shù)達(dá)到待測(cè)工況設(shè)定壓力后,關(guān)閉常溫閥5,開啟常溫閥7,待泵前后壓力表讀數(shù)上升至設(shè)定壓力后,關(guān)閉常溫閥7。開啟低溫泵。

轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時(shí),介質(zhì)為水和液氮下的揚(yáng)程-流量曲線如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在小流量區(qū)域內(nèi),揚(yáng)程下降問題在水為介質(zhì)的試驗(yàn)中并未出現(xiàn),因此可以排除泵內(nèi)水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷原因。水和液氮兩種介質(zhì)的最大區(qū)別為低溫流體更易發(fā)生氣化,因此有理由相信,當(dāng)流量較小時(shí)液氮的流動(dòng)換熱不夠充分,泵電機(jī)的產(chǎn)熱導(dǎo)致了局部液氮的氣化,輕微的空化導(dǎo)致了揚(yáng)程損失。隨著流量的增大,過冷的液氮能夠更加充分地帶走電機(jī)熱量,且自身未達(dá)到壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度,因此得以避免氣液兩相流動(dòng)。

圖8給出了該低溫泵的功率-流量曲線,其中功率為泵外接轉(zhuǎn)速器的顯示電流乘以電源電壓得到,為泵的總輸入功率。可以看到,隨著流量的增加,功率先以近似線性關(guān)系增長,而后增長速率逐漸減小,曲線變得平緩。同時(shí),當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí),功率線性增長區(qū)域的斜率總體上變大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min、流量超過14 L/min時(shí),泵的輸入功率超過100 W。

由于揚(yáng)程特性曲線定義為未發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)的泵性能曲線,因此圖7中揚(yáng)程曲線僅保留了揚(yáng)程曲線斜率為負(fù)的區(qū)間?？梢钥闯?在所有轉(zhuǎn)速工況下,總體上隨著流量的減小,低溫泵的揚(yáng)程增大。低轉(zhuǎn)速時(shí)的曲線比高轉(zhuǎn)速時(shí)的曲線更加平緩,且揚(yáng)程和適用流量均處于較小值。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min時(shí),低溫泵的揚(yáng)程可以達(dá)到5 m以上,滿足大部分相關(guān)應(yīng)用要求。另一方面,在所測(cè)試的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),該低溫泵均可以在較寬的流量范圍內(nèi)保持揚(yáng)程變化不高于5%,說明泵運(yùn)行具備較好穩(wěn)定性。隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加至7 000 r/min以上,實(shí)測(cè)最高揚(yáng)程可達(dá)10 m,但揚(yáng)程對(duì)流量的依變關(guān)系更加敏感。這是由于轉(zhuǎn)速較大時(shí),增加流量導(dǎo)致流體在蝸殼出口處的能量回收不完全現(xiàn)象更加明顯,造成更顯著的流動(dòng)損失。

將低溫泵轉(zhuǎn)速從4 500 r/min逐漸提升到8 000 r/min,在每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)通過改變閥門開度得到揚(yáng)程-流量、功率-流量以及效率-流量曲線,分別如圖7～圖9所示。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量,自制電機(jī)效率約為50%,基于此得到低溫泵水力效率-流量曲線,如圖9所示?？梢钥闯?低轉(zhuǎn)速小流量區(qū)域內(nèi)低溫泵效率較低,但效率在全流量范圍內(nèi)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速呈上升趨勢(shì)。對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)速,存在最佳工況點(diǎn),即當(dāng)流量處于某一值時(shí),效率達(dá)到峰值。該最佳流量位置點(diǎn)隨著轉(zhuǎn)速的增大而向大流量方向推移。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速6 500 r/min時(shí)的最佳效率工況點(diǎn)的流量為10 L/min,與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合,此時(shí)低溫泵的水力效率為32%。當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加并超過額定轉(zhuǎn)速后,雖然泵效率仍有所提升,但可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至7 500 r/min以上后,外特性效率曲線的峰值平坦區(qū)迅速減小,效率曲線隨著流量的增加會(huì)在某一流量點(diǎn)驟降。這是由于離心泵是按設(shè)計(jì)工況進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算設(shè)計(jì)的,當(dāng)工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較大時(shí),內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊損失和流動(dòng)損失變大,導(dǎo)致泵效率減小且泵維持高性能的穩(wěn)定性受到破壞,不推薦在該狀態(tài)下工作。

上海印刷集團(tuán)在堅(jiān)持印刷這一主營業(yè)務(wù)的同時(shí)，不斷發(fā)展文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，實(shí)施文化創(chuàng)新戰(zhàn)略，打造中國文物保護(hù)的文化服務(wù)行業(yè)。

2.3.3 泵入口壓力對(duì)泵揚(yáng)程的影響

為解決本地資源性缺水問題，深圳除了積極進(jìn)行調(diào)配水工程建設(shè)，還注重依靠科技手段強(qiáng)化管理，謀求通過對(duì)水資源有效的監(jiān)控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在豐枯年、不同地區(qū)的水資源分配，最大程度保證水資源的供應(yīng)。為此開展了 “深圳市水資源監(jiān)控能力建設(shè)”示范項(xiàng)目，通過集成全市所有已建成運(yùn)行的水雨情、水源地供水計(jì)量設(shè)施和水源地水質(zhì)、地下水、污水處理水量自動(dòng)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，新建28個(gè)水源地供水計(jì)量設(shè)施實(shí)時(shí)流量采集系統(tǒng)，進(jìn)一步豐富了水資源管理的基礎(chǔ)信息，構(gòu)建了水資源管理信息化平臺(tái)，為提高水資源管理的信息化和現(xiàn)代化水平提供了技術(shù)支撐。

為探究入口流體壓力對(duì)泵揚(yáng)程的影響,將泵前高壓罐壓力從表壓800 kPa逐漸減小至常壓。為了排除小流量試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的空化現(xiàn)象對(duì)揚(yáng)程測(cè)量值的干擾,將流量控制為12 L/min。額定轉(zhuǎn)速6 500 r/min時(shí),不同入口流體壓力下泵的揚(yáng)程變化曲線如圖10所示,圖中壓力為表壓。可以看出,當(dāng)入口壓力在200～800 kPa范圍內(nèi)變化時(shí),泵的揚(yáng)程基本不變,符合離心泵的工作特征。但是,當(dāng)入口壓力低于150 kPa時(shí),揚(yáng)程開始迅速下降。如前所述,此時(shí)泵入口流體過冷度小,流量也小,電機(jī)產(chǎn)熱導(dǎo)致較嚴(yán)重的流體氣化,氣化區(qū)域從誘導(dǎo)輪流道向葉輪流道逐步發(fā)展,由于徑向葉輪離心力的作用使氣泡無法排出葉輪,進(jìn)而使得泵性能迅速惡化。因此,低溫流體離心泵在工作時(shí)應(yīng)避免入口壓力過低。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和研制了一款包絡(luò)尺寸132.3 mm×117.2 mm×87.0 mm、額定功率85 W的小流量低溫流體離心泵。采用磁力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部介質(zhì)的零泄露,采用3D打印葉輪優(yōu)化迭代方法完成葉輪設(shè)計(jì),通過數(shù)值模擬驗(yàn)證葉輪前誘導(dǎo)輪對(duì)低溫泵抗汽蝕性能的改善作用。搭建了一套撬裝式小型低溫泵性能閉式回路測(cè)試系統(tǒng),以液氮為介質(zhì),測(cè)量得到多轉(zhuǎn)速下低溫泵的揚(yáng)程-流量曲線、功率-流量曲線和效率-流量曲線。本文結(jié)論如下。

(1)基于3D打印葉輪優(yōu)化迭代+水工況試驗(yàn)驗(yàn)證的方法適用于小型低溫液氮泵的設(shè)計(jì),實(shí)測(cè)的性能曲線符合額定設(shè)計(jì)工況特征。

(2)小型低溫泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程-流量曲線比高轉(zhuǎn)速時(shí)的更加平緩。在百瓦以下輸入功率、額定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min時(shí),小流量區(qū)域的揚(yáng)程可以穩(wěn)定維持在6 m以上,滿足大部分低溫流體循環(huán)流動(dòng)相關(guān)應(yīng)用需求。

(3)小型低溫離心泵的效率-流量曲線存在最佳工況點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí),該點(diǎn)位置向流量增大方向偏移。但是,當(dāng)轉(zhuǎn)速明顯高于額定轉(zhuǎn)速后,泵無法在一個(gè)較寬的流量區(qū)間維持高效率,運(yùn)行穩(wěn)定性受到破壞。

(4)小型低溫離心的揚(yáng)程總體上與泵入口流體壓力弱相關(guān),但當(dāng)?shù)陀谀骋婚撝岛?泵的揚(yáng)程急劇惡化,建議最低進(jìn)口壓力應(yīng)不低于150 kPa。

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