流量对离心泵蜗壳内压力及速度分布的影响.pdf

试验研究 流量对离心泵蜗壳内压力及速度分布的影响 张武高 清华大学 陈晓玲 曹广军 石油大学 北京 摘要 用等速度系数法设计的矩形断面离心泵蜗壳内 在蜗壳侧面沿圆周方向试验测量了各 种流量下中轴垂面上压力的分布 并通过激光多普勒测速仪测量了不同流量下蜗壳内的速度场 通过分析压力测量结果 指出离心泵在小流量工况时 蜗壳内沿液流方向的压力分布呈现出由大 变小再变大的分布规律 中高流量工况时 蜗壳内压力分布的 降速扩压 特征明显 弄清这种 分布规律对提高离心泵的性能及蜗壳优化设计具有指导意义 主题词 离心泵 蜗壳 流量 压力 速度 影响 目前 国内外离心泵蜗壳水力性能的研究主要 集中在数值模拟方面 对试验研究的报道相对较 少 在设计蜗壳型线时 一般假设其内部流动为等 速流动或等动量矩流动 但这种假设只有它工作在 设计流量附近时才有一定的准确性 当泵送流量偏 离设计流量时 这种假设与实际流动状况偏差较 大 同时 蜗壳内的流动理论中 蜗壳流道中的速 度分布与压力分布的关系 流量对它们的影响等内 容 都并不十分清楚 因此 测量及分析离心泵蜗 壳内的压力与速度分布 流量对速度及压力分布规 律的影响 对丰富蜗壳内的流体流动理论和指导离 心泵蜗壳的型线设计 具有重要的意义 试验布置及参数 蜗壳的水力设计一般采用两种方法 速度系数 法与角动量守恒原理 笔者利用等速度系数法进行 蜗壳设计 蜗壳断面形状是矩形 离心泵的设计流 量25m3 h 设计转速为1450r min 测压孔沿蜗室侧面布置见图1 压力用U形管 压力计测量 试验中发现 在试验工况稳定后 蜗 室侧壁压力基本稳定 这种结果与测量得到的靠近 蜗壳侧壁附近速度分布基本一致 测量蜗壳内流体 流速的仪器为激光多普勒测速仪 LDV 测量时 在蜗壳的第 断面及蜗壳出口断面分别开 设了窗口 开设窗口位置如图2所示 图1 蜗壳侧壁压力测量点布置示意图 图2 蜗壳速度测量断面开窗示意图 第28卷 第2期石 油 机 械 2000年 张武高 生于1969年 1997年毕业于石油大学 北京 机电工程系 获博士学位 现在清华大学汽车工程系做博士后研究工作 地 址 100084 北京市海淀区 电话 010 62785706 E mail cxlzwg 263 net 收稿日期 1999 04 29 修改稿收到日期 1999 07 09 本研究得到教育部博士点基金的资助 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 试验线路中的流量测量采用涡轮流量计 并在 使用之前利用高精度的质量流量计进行了校核 试验结果及分析 试验发现 流量一致的条件下 各种不同的叶 轮工作时 蜗壳侧壁压力分布都具有相似的特征 因而下面仅以22 出口角叶轮 泵轴转速为1450r min的情况为例 说明泵在各种流量下蜗壳内的压 力分布规律 图3是不同流量下蜗壳内压力分布图 图3 蜗室侧壁压力随流量的变化关系 由图3可以发现 当泵工作在小流量区域时 Q 0123Qopt 蜗室侧壁沿液流方向从隔舌到出 口 压力分布明显分为降压区与升压区 且降压区 约占蜗壳包角的1 2 中等流量时 Q 016Qopt 蜗壳内压力分布相对较为平稳 虽然仍然有类似小 流量工况下的压力分布特征 但相比之下 压力差 值要小得多 而且 与小流量时的压力最低点基本 上位于同一区域 最佳效率点工况下 压力沿液流 方向逐渐增大 至出口附近基本达到平衡 压力大 体上恒定 泵轴转速一定 小流量工况运行时 蜗室内压 力分布出现明显的区域性降压现象 随流量的增 大 降压现象逐渐减弱乃至消失 这说明影响蜗室 内压力分布的原因不仅是蜗室的断面尺寸 还有出 口管内压力 下面分析影响蜗室侧壁压力分布规律的原因 小流量工况下 出口阀开度较小 出口管内压 力较高 同时 喉口区的部分流体从隔舌间隙及泵 壳轴向间隙回流到蜗壳内部 引起蜗壳内压力升 高 蜗室起始段 断面高度较小 距离出口近 回 流的高压流体使叶片出流阻塞严重 此时蜗壳断面 内的流体中回流占较大比例 压力较高 随着蜗壳 包角的增大 蜗室截面积增大 回流流体与叶轮内 的低压出流之间的掺混作用增强 使蜗壳内的压力 降低 随着蜗壳包角的进一步增大 蜗壳的降速扩 压作用越来越明显 使得蜗壳内的压力逐渐升高 中高流量工况下 扩散管内压力相对较低 叶 片进出口压差减小 蜗室内压力对叶轮出流的阻碍 作用减弱 同时 叶轮出流量增大 出口附近流体 速度也相应提高 对隔舌区域可能出现的回流流体 的排挤作用增强 造成回流量相对减少 这种情况 下 蜗室断面几何尺寸成为影响压力分布的主要因 素 使得蜗壳内的压力分布的 降速扩压 特征越 来越明显 最优工况下 蜗壳内压力逐渐增大 但部分负 载工况下 蜗室内的压力分布与最优工况下的差距 较大 这种压力分布 无疑会对蜗壳乃至叶轮流道 内的流动造成一定的影响 蜗室侧壁压力场的测量 可以解释泵与蜗壳内 的流动分布 特别是泵工作在部分负载工况时的流 动特性 以及泵的外特性 为了进一步弄清蜗壳内侧壁面附近的压力分布 特点 下面以第 断面内的速度分布曲线 如图4 所示 为例 对压力分布予以说明 图4中 H6为 矩形截面涡壳第 断面的轴向厚度 vu为液流速 度 u2为叶轮外缘圆周速度 观察第 断面内的速度分布图可以发现 主流 切向 速度基本不随流量的减小而降低 只是流量 较大时 叶轮出口切向速度比较饱满 流量降低 后 靠近叶轮前后盖板附近的速度分布曲线上出现 明显双峰分布 第 断面内的径向出流速度随流量变化较小的 原因 主要在于各种流量下叶轮进出口压差变化不 大 与内流场测量工况对应的外特性测量表明 最 优工况及小流量工况下 进口真空度分别为 3017kPa和217kPa 由图可见 第 断面内的压力 分别约为62kPa和9313kPa 由此可算出最优工况 及小流量工况下 进出口压差分别为9217kPa和 96kPa 两者基本相等 由此可以推断 小流量工 况下 从第 断面流入泵壳轴向间隙内的液流 也 应部分从压力较低的第 断面流出 总体效果是减 小了各种流量下第 断面蜗室内的流速差距 但是 11第28卷 第2期张武高等 流量对离心泵蜗壳内压力及速度分布的影响 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 这部分流体在蜗壳内的循环流动无疑会加大泵的摩 擦损失 离心泵小流量工况时 叶轮中轴垂面上的流体 受叶片约束相对小一些 前后盖板附近相对速度较 低的流体 出流时绝对速度较高 流量越小 这种 现象越明显 正是这种原因形成了叶轮前后盖板附 近出现了双峰速度曲线 以上有关压力及速度的测量结果 对了解叶轮 流道的内部流动 特别是叶轮工作在偏离设计工况 下的内部流动 具有重要意义 同时 对叶轮流道 内的数值模拟的边界及初始条件的给定 具有较重 要的参考意义 图4 蜗壳内第 断面内的轴向及径向速度分布 结 论 1 输流量较低时 离心泵蜗壳内沿液流方向 的压力分布呈现出由大变小再变大的分布规律 随 着流量的逐步增大 压力分布曲线逐步变得平缓 到额定流量工况下 蜗壳内的压力分布出现了沿液 流方向逐渐增大的趋势 2 离心泵蜗壳内压力场与速度场相互影响 在 偏离设计流量时 第 断面内的速度分布出现了不规 则形状 这种分布应是压力分布规律导致的结果 3 由压力场试验结果可知 常工作在小流量 工况下的离心泵 为了避免蜗壳内的压力分布出现 不规则变化 从而引起蜗壳内流动损失增加过大 设计时应采用减小蜗壳中间过流断面面积的方法 以提高通常工作在小流量工况下的离心泵的扬程和 效率 4 通过蜗壳