离心泵在启动阶段的水力特性研究.pdf

中国工程热物理学会流体机械 第 f 一届学术会议 编号0 5 7 0 0 6 离心泵在启动阶段的水力特性研究 陈颂英 隋荣娟 曲 延鹏 李春峰 山东大学护 械T程学院 济南 2 5 0 0 6 2 0 5 3 1 8 8 9 8 1 9 6 0 c h e n s y 6 6 s d u e d u c n 摘要 建立了 离心泵非稳定状态下 的扬程公式 对离心泵启动阶段的水力性能进行实验研究 测 量了瞬时转速 流量 扬程随时间的变化 将理论计算与相应的试验结果进行了比 较分析 关键词 离心泵 非稳定状态 水力特性 1 引言 尽管离心泵已 在各行业获得了 广泛应用 大多数场合 离心泵是在稳定工况下工作 即其工作转速 负载等都是基本不变或缓慢变化的 稳态水力特性理论己 相对成熟 离 心泵稳态性能试验方法已 有相应的试 验标准川 但是 对启动 关闭 调阀 等变工况下 泵性能的理论研究及试验测试则相对较少 随着对离心泵瞬态性能的应用 人们开始关注非稳态工况下的性能 主要集中于实 验测试方面 T s u k a m o t o l 测试了 低比 转速离 心泵的 启动性能 L e f e b v r e 3 对武器发射 系统甲 的离 心泵 瞬态 性能 进行了 测定 王乐 勤 对管 路负 载快 速 变 化过 程的 混流 泵瞬态 特性进行了测试 试验结果表明 在高速变化阶段离心泵水力性能与稳态工况截然不同 本文从理论上确定转速 扬程 流量随时间的变化关系 建立离心泵非稳定状态下 的扬程公式 通过试验 验证理论分析的可靠性 建立一种可以预测启动阶段特性的方 法 2 离心泵非稳定状态下的扬程公式 在惯性坐标系 卜 离心泵内流体流动是复合运动 流体质点的绝对速度v 等于相对 速度伴与牵连速度 的矢量和 v 伴 w x r 1 式中 一叶轮的角速度矢量 厂 一质点的矢径 由 输运方程和质点系动量定理f 5 1 Dv av a 二 二 一 二二 厂 一 十 v t i tdt 可得绝对坐标系下的质点加速度 0 v 2 a F 二 1 上 4 由 此可见 离心泵内 流体加速度由呐部分构成 弟一邵分 J JH 1 A q x E A W Z3E a t 2 6 2 由 速度场的不稳定性引 起的 第二部分是 v v v 项 称为 迁移加速度 由 速度场的 不 均匀性引起 由方程 1 21 可得相对坐标系下的运动方程 av 二 v a t 从上式可以看出 一d w W V W 十 丽 xd t厂 十 w x 伴 w t w x 厂 3 在旋转的相对坐标系下的运动方程除保持了与绝对坐标系相同形 式的两项外 还增加了 角加速惯性力项 科氏力项和离心力项 再根据角动量定理和输运方程 可得流体加速时的角动量方程 I 从 r o v p d V 工 s r o x v P v n d A 4 方程左边是系统内 质点上所有力的力矩矢量和 对于离心式水泵内部质点 艺 r o F S r o F T 5 式中r x 气为压强力对转轴的力矩 由 于进出口 截面上压强力沿径向分布 r x 凡 0 o r o x 气为 质量 力 对轴的 力 矩 由 于 轴对 称 质 量力的 力 矩相互 抵消 故 r x 气 0 T 为外界施加于 控制体上的 力矩 所以 E M o 一 厂 6 力矩T 在单位时间对液体做功为T O 它等于单位时间内 通过叶轮的液体从叶轮中 得到的能量 即 T O p g Q H 7 w为叶 轮旋转角 速度 Q 是流体 流量 方程 2 的右边包括两部分 稳定项和非稳定项 对应于离心泵扬程有 H二H H 8 其中 稳定项 9 leseses esJ lseJ夕 21 1 Q 一 r 田 广 ljl月L 功19 H 式中 r 为 叶 轮中 水 流 相 对 转 轴半 径 A 为叶 轮 过 水断 面 积 W为 排挤 系 数 与 叶 2 6 3 片 数 和 泵壳 结 构有 关 b 为 流 道内 切圆 直 径 a l 进口 绝 对水 流 角 刀 出口 角 1 卜 稳定项 H 一 K 餐 一 K K 一 豁 1 0 从上式可石 出水泵在非 稳态工作过程中 非稳态理论扬程除了 旋转加速附加扬程和 水流加速消耗扬程外 还包括由于流动速度变化引起泵壳中的附加压力而产生的扬程 式 中 系 数 K 一 丁 c o 趣 dr 1 入 1 一 一 一 二 一 二 一 丁 入 一 二 了 A si n 卢一4 汀 rdo 其中K 二 的值仅与泵壳的儿何尺寸有关 根据以上分析 可以 得到离心式水泵在叶轮加速的不稳定运行过程中的基本方程式 某一时刻瞬时理论扬程即为该时刻对应转速下的稳态扬程与非稳态扬程之和 三 竺 竺 2 劝1 毋 c o t 刀 飞 万一 了 一 一 一 一 十 艺 劝2 班 二左 业一 生 K K 哩 1 3 0 9 一 dtg dt O r 勿 一1十 11 1趁 3离心泵启动试验研究 3 1试验装置及测试系统 本文对一台型号为I S G S O 一 1 25的离心泵进行了启动试验研究 其设计转速2 9 O 0 r p m 额定功率5 5 曰 扬程2 0m 流量5 0m 1 h 叶轮直径125 m m 左右 泵进出口 直径8 0 mm 泵试验装置如图 1 所示 琢 专 j 遨 寸 东 感 冰 汁铃妇叫汉 水1111 一甚 5 一 八 一 2刊卜一斗 一 一刁当妥钊 1 ee一 山日 硫 偏 ha 水汪成 图 1 离心泵启动试验装置 小型泵试验装置中流量的测量采用的是公称直径为80m m的涡轮流量计 流量计产 生的脉冲电 压信号 直接由计算机自 动采集 通过计算瞬时脉冲频率即可得瞬时流量 转 速的测量是在转动轴上安装测速齿轮 在齿轮旁边装有磁电式脉冲传感器 3 2试验结果和分析 2 64 试验采用电机直接启动 水泵从静 It 到转速为2 9 5 0 r p m 所用的时间约为0 5 秒 针对不同出 I 阀门的开度 卜 面给出开度分别为3 0 和 9 0 下的启动特性试验结果 如图2 和图 弓 所示 包括实测转速 流量 扬程的时间历程以 及理论扬程曲 线 理论扬 程基于 准稳态假设 即假设 整个启动过程中泵的性能与对应转速下的稳态性能相同 1怎口咧昭钾 1 1勺JweT百 we eelse门1飞J飞 se 3200 2800 2400 2000 1 600 1 20 0 800 400 lu二 划寨 时间 t s 图2阀门开3 0 时的启动过程 最大流量为3 6 m h 08 ZJ 3200阀门 开 度 9 0 9 6 2800 已 d只出 6420 月 峨 月 18 门 月 转速 R 试验扬程 厂 2400 广 的衍 2000 1 600 了 门1刁 1气 门1勺1气1 一1七 口弱 1200 理 省 二驾本 800 试 验 流量 400 1 50 40 1 3 0 1 2 0 11 0 1 0 0 9 0 8 0 7 0 60 5 0 40 3 0 2 0 1 0 0 左 二 尹 4 85 0 5 25 45 6 时间 t s 图 阀门开9 0 时的启动过程 最大流量为8 3 m h 上图中 修正后的试验扬程 等于实测扬程加上管路系统中相应管段 泵进口到 出C l 测压点 流体加速消耗的扬程 管路中流体加速所消耗的扬程的表达式如下 O P I d Q 3 6 0 0 d t 1 2 式中 为山 二 流体加速所消耗的扬程 m I为泵进口 管进口 端到出口 压力测点的长 2 6 5 度 m 为管路 11 径 m g 为重力加速度 一 S 在具体的计算过程中 用中心差分的方法进行离散 其表达式如下 d Q 的 处 理 采 dt 城 9 十 I 一 Q I g n r 2 3 6 0 0 2 A t 1 3 式中 i 表示第 i 点 At 的修止后的扬程表达式为 为 时 间 步 一长 本 计 算 过 程 中 取 t 为0 6 1 秒 某 一 时 刻i 点 P 2 P I 4 鱿 1 4 式中 P 为某一时刻修正后的扬程 P 为某一时刻实测的静扬程 3 3 启动试验结果分析 根据试验的结果 该泵在启动时间为0 5 秒的启动过程中 瞬态性能与稳态性能基 本吻合 图2 3 所描述的是在一定阀门开度下启动的结果 随着最终稳定流量的增大 实测扬程曲 线与稳态估算曲 线偏离增大 这是由 于在启动过程中 有一部分扬程是提供 管路中流体加速的 压力传感器并无法测到 但是修正后的试验扬程曲 线与稳态估算曲 线基本吻合 修止后的试验扬程是考虑了 流体加速效应的 是泵在启动过程中实际提供 的扬程 在阀门开启的启动过程中 在转速到达最大之后 立即出现一个扬程下降而流 量继续上升的过程 这是由于该过程的管路损失系数较小 最终稳定流量较大 在转速 到达最人值时 扬程也到达最大 流量并未到达最大 即系统并未到达一个稳定工况 点 此时流量继续上升 同时由于泵本身的特性使扬程下降直到达到稳定工况点 4结论 在旋转的相对坐标系下的运动方程中 增加了 角加速惯性力项 科氏力项和离心力 项 从流体加速的角动量方程出发 推导出离心式水泵在叶轮加速的不稳定运行过程中 某一时刻瞬时理论扬程为该时刻对应转速下的稳态扬程与非稳态扬程之和 通过离心泵 的启动性能试验 验证了上述结论 参考文献 陈乃祥 吴l c 林 离心泵 北京 机械工业出 版社 2 0 0 3 1 8 3 8 0 H T s u k a m o t o a n d I I O h a s h i T r a n s ie n t c h a r a c t e r i s t i c s o f a c e n t r i f u g a l p u m p d u r i n g s t a r t i n g p e r i o d A S M E J o u r n a l 以 I n i d s e n g i n e e r i n g 1 9 8 2 V 1 0 4 p p 6 1 3 P J L e f e b v r e a n d W P B a r k e r C e n t r i f u g a l p u m p p e r f o r m a n c e d u r i n g t r a n s i e n t o p e