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如何控制水泵不穩(wěn)定特性及試驗(yàn)研究

新聞來源：天津市津潛泵業(yè)有限公司添加時(shí)間：2019/3/15 14:56:42 瀏覽次數(shù)：

本文主要從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，弄清這些小流量不穩(wěn)定的形成機(jī)理并分析其影響因素，從而來指導(dǎo)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵的設(shè)計(jì)，使高速離心泵的揚(yáng)程流量特性線H~Q不存在正斜率上升段，即高速離心泵具有很好的小流量工作穩(wěn)定性。

產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理

產(chǎn)生小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要是誘導(dǎo)輪進(jìn)口前緣外徑處產(chǎn)生的回旋流、離心輪進(jìn)口的回流、葉輪流道里的二次流、葉輪流道內(nèi)的尾跡-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離、以及葉輪與蝸殼聯(lián)合工作時(shí)出現(xiàn)的葉輪出口二次流等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的流場(chǎng)分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區(qū)的揚(yáng)程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線出現(xiàn)正斜率上升段，從而使高速離心泵在小流量工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。下面就對(duì)這幾種不穩(wěn)定因素的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡述。

1.進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理

關(guān)于葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者作了研究。Stepanoff是較早對(duì)離心泵葉輪進(jìn)口回流機(jī)理進(jìn)行研究的學(xué)者之一，他認(rèn)為液體流動(dòng)是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時(shí)，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進(jìn)口周圍的圓周速度增加，因此管壁附近的能量增加，這使得維持液體沿流線流動(dòng)所必須的能量坡度不在存在，因此就在葉輪進(jìn)口附近的液流發(fā)生倒流。Fraser認(rèn)為離心揚(yáng)程對(duì)于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動(dòng)揚(yáng)程是流量的函數(shù)，在揚(yáng)程流量曲線上某些點(diǎn)，動(dòng)揚(yáng)程一旦超過離心揚(yáng)程，那么在這些點(diǎn)壓力梯度反向，導(dǎo)致了流動(dòng)方向相反，即產(chǎn)生回流現(xiàn)象。文獻(xiàn)3從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析了低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)速度分量是葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的主要原因，并指出回流是導(dǎo)致小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。

由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)往往采用正沖角方法，即為了保證誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程能夠滿足離心輪進(jìn)口的能量要求，取誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口角大于液流角，同時(shí)為使離心輪獲得較好的汽蝕性能，也取其葉片進(jìn)口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率，在設(shè)計(jì)超低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)普遍采用加大流量設(shè)計(jì)，這就使運(yùn)行工況下的實(shí)際液流角小于設(shè)計(jì)工況下的液流角，這樣就使誘導(dǎo)輪和離心輪進(jìn)口前緣都具有不均勻的圓周速度分量，從而產(chǎn)生繞流線的旋渦。因此誘導(dǎo)輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上也就是由于旋轉(zhuǎn)葉片邊緣處的液流圓周分速不均勻引起的，是包含垂直于軸面的旋渦和繞流線旋渦的回漩流。

2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應(yīng)

現(xiàn)在的流場(chǎng)分析與流動(dòng)測(cè)試研究已表明離心葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)速度較小的尾流區(qū)和近似于無粘性的射流區(qū)所組成，尾流區(qū)緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區(qū)愈寬，射流-尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流-尾流結(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，葉輪內(nèi)的損失也就愈大。尾流的形成與發(fā)展是邊界層的發(fā)展、二次流的發(fā)展、流動(dòng)分離和分層效應(yīng)等因素相互影響相互促進(jìn)而形成的。

關(guān)于二次流的形成及其對(duì)尾跡的影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者作了研究，定性來講可用下式來分析葉輪旋轉(zhuǎn)流道中的二次流：

EMBEDEquation.2(2-1)

上式中的EMBEDEquation.2為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，EMBEDEquation.2為相對(duì)流線的旋轉(zhuǎn)分量，EMBEDEquation.2分別為I對(duì)次法線方向和旋轉(zhuǎn)軸方向的偏導(dǎo)數(shù)。上式表明相對(duì)流線方向的旋渦是由兩個(gè)因素產(chǎn)生：一是為具有半徑Rn的流線曲率，另一是旋轉(zhuǎn)角速度ω引起的。

旋轉(zhuǎn)滯止壓力I是動(dòng)壓力EMBEDEquation.2和折算靜壓力EMBEDEquation.2之和，粘性的作用使I下降。由于在葉輪流道旋轉(zhuǎn)邊界層內(nèi)存在較大的相對(duì)速度梯度，因此具有均勻折算靜壓的邊界層內(nèi)I的最小值出現(xiàn)在壁面上，其值等于p*。

考慮葉輪流道的B-B流動(dòng)，假設(shè)由于進(jìn)口管壁面的摩擦已經(jīng)產(chǎn)生了如圖所示的速度剖面，考慮B-B的流道的一個(gè)流面ABCD，靠近葉輪流道外直徑的A點(diǎn)，流線曲率由葉片曲率產(chǎn)生，次法線方向的旋轉(zhuǎn)壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的，第一項(xiàng)產(chǎn)生的正的流線方向的旋轉(zhuǎn)分量EMBEDEquation.2。而在靠近內(nèi)直徑處的B點(diǎn)，引起負(fù)的EMBEDEquation.2，其結(jié)果是形成前蓋板及后蓋板表面邊界層上的二次流，使前、后蓋板表面邊界層內(nèi)的低I微團(tuán)流到非工作面上，并且從連續(xù)性出發(fā)也把工作面上的低I微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上去，這樣就增厚了非工作面上的邊界層。由于I梯度與ω幾乎垂直，由式(2-1)的第二項(xiàng)引起的二次流較小。由于在葉輪出口處的C、D兩點(diǎn)位于流道的徑流部位，因此主要由第二項(xiàng)引起如圖所示方向的正、負(fù)EMBEDEquation.2和二次流，這樣也就把前、后蓋板邊界層內(nèi)低能微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上去，增加了非工作面上的邊界層。

將同樣的分析方法應(yīng)用于子午平面內(nèi)，當(dāng)流線由軸向向徑向拐彎時(shí)，在工作面和非工作面邊界層上形成二次流旋渦，它們把工作面和非工作面上邊界層內(nèi)的低I微團(tuán)驅(qū)趕到前蓋板上，增厚了前蓋板表面的邊界層。

上面分析可以得出產(chǎn)生流線方向上二次流旋渦有三個(gè)來源：

1)彎曲葉片；它使流動(dòng)從進(jìn)口沖角方向轉(zhuǎn)到軸線方向，把前、后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上，由于工作面邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)是不穩(wěn)定的，因此也被驅(qū)趕到非工作面上。

2)軸向向徑向拐彎；由于子午面上前后蓋板型線存在曲率，把工作面和非工作面以及后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)轉(zhuǎn)移到前蓋板表面。

3)旋轉(zhuǎn)；隨著流動(dòng)從軸向到徑向，旋轉(zhuǎn)對(duì)二次流旋渦的貢獻(xiàn)不斷增加，哥氏力產(chǎn)生的二次流使低I流體從前、后蓋板表面以及不穩(wěn)定的工作面表面的低I流體轉(zhuǎn)移到非工作面上

由于分層效應(yīng)的影響，使高能流體微團(tuán)在工作面和后蓋板一側(cè)積聚，促使來流速度加快，并且邊界層增長(zhǎng)緩慢，減少了分離傾向。而在非工作面和前蓋板一側(cè)則有低能流體微團(tuán)積聚，從而降低了來流速度，加劇了邊界層增長(zhǎng)，助長(zhǎng)了邊界層分離傾向。

3.尾流-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離

上面已經(jīng)提及離心葉輪通道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)較小的尾流區(qū)和近似于無粘的射流區(qū)組成，考慮到真實(shí)流體的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了邊界層，在葉片曲率以及旋轉(zhuǎn)的作用下，非工作面上的邊界層由于二次流的影響越來越厚，有容易在某一小流量下發(fā)生失速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊界層分離。本文主要從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，弄清這些小流量不穩(wěn)定的形成機(jī)理并分析其影響因素，從而來指導(dǎo)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵的設(shè)計(jì)，使高速離心泵的揚(yáng)程流量特性線H~Q不存在正斜率上升段，即高速離心泵具有很好的小流量工作穩(wěn)定性。

產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理

產(chǎn)生小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要是誘導(dǎo)輪進(jìn)口前緣外徑處產(chǎn)生的回旋流、離心輪進(jìn)口的回流、葉輪流道里的二次流、葉輪流道內(nèi)的尾跡-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離、以及葉輪與蝸殼聯(lián)合工作時(shí)出現(xiàn)的葉輪出口二次流等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的流場(chǎng)分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區(qū)的揚(yáng)程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線出現(xiàn)正斜率上升段，從而使高速離心泵在小流量工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。下面就對(duì)這幾種不穩(wěn)定因素的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡述。

1.進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理

關(guān)于葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者作了研究。Stepanoff是較早對(duì)離心泵葉輪進(jìn)口回流機(jī)理進(jìn)行研究的學(xué)者之一，他認(rèn)為液體流動(dòng)是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時(shí)，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進(jìn)口周圍的圓周速度增加，因此管壁附近的能量增加，這使得維持液體沿流線流動(dòng)所必須的能量坡度不在存在，因此就在葉輪進(jìn)口附近的液流發(fā)生倒流。Fraser認(rèn)為離心揚(yáng)程對(duì)于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動(dòng)揚(yáng)程是流量的函數(shù)，在揚(yáng)程流量曲線上某些點(diǎn)，動(dòng)揚(yáng)程一旦超過離心揚(yáng)程，那么在這些點(diǎn)壓力梯度反向，導(dǎo)致了流動(dòng)方向相反，即產(chǎn)生回流現(xiàn)象。文獻(xiàn)3從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析了低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)速度分量是葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的主要原因，并指出回流是導(dǎo)致小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。

由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)往往采用正沖角方法，即為了保證誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程能夠滿足離心輪進(jìn)口的能量要求，取誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口角大于液流角，同時(shí)為使離心輪獲得較好的汽蝕性能，也取其葉片進(jìn)口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率，在設(shè)計(jì)超低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)普遍采用加大流量設(shè)計(jì)，這就使運(yùn)行工況下的實(shí)際液流角小于設(shè)計(jì)工況下的液流角，這樣就使誘導(dǎo)輪和離心輪進(jìn)口前緣都具有不均勻的圓周速度分量，從而產(chǎn)生繞流線的旋渦。因此誘導(dǎo)輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上也就是由于旋轉(zhuǎn)葉片邊緣處的液流圓周分速不均勻引起的，是包含垂直于軸面的旋渦和繞流線旋渦的回漩流。

2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應(yīng)

現(xiàn)在的流場(chǎng)分析與流動(dòng)測(cè)試研究已表明離心葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)速度較小的尾流區(qū)和近似于無粘性的射流區(qū)所組成，尾流區(qū)緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區(qū)愈寬，射流-尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流-尾流結(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，葉輪內(nèi)的損失也就愈大。尾流的形成與發(fā)展是邊界層的發(fā)展、二次流的發(fā)展、流動(dòng)分離和分層效應(yīng)等因素相互影響相互促進(jìn)而形成的。

關(guān)于二次流的形成及其對(duì)尾跡的影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者作了研究，定性來講可用下式來分析葉輪旋轉(zhuǎn)流道中的二次流：

EMBEDEquation.2(2-1)

上式中的EMBEDEquation.2為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，EMBEDEquation.2為相對(duì)流線的旋轉(zhuǎn)分量，EMBEDEquation.2分別為I對(duì)次法線方向和旋轉(zhuǎn)軸方向的偏導(dǎo)數(shù)。上式表明相對(duì)流線方向的旋渦是由兩個(gè)因素產(chǎn)生：一是為具有半徑Rn的流線曲率，另一是旋轉(zhuǎn)角速度ω引起的。

旋轉(zhuǎn)滯止壓力I是動(dòng)壓力EMBEDEquation.2和折算靜壓力EMBEDEquation.2之和，粘性的作用使I下降。由于在葉輪流道旋轉(zhuǎn)邊界層內(nèi)存在較大的相對(duì)速度梯度，因此具有均勻折算靜壓的邊界層內(nèi)I的最小值出現(xiàn)在壁面上，其值等于p*。

考慮葉輪流道的B-B流動(dòng)，假設(shè)由于進(jìn)口管壁面的摩擦已經(jīng)產(chǎn)生了如圖所示的速度剖面，考慮B-B的流道的一個(gè)流面ABCD，靠近葉輪流道外直徑的A點(diǎn)，流線曲率由葉片曲率產(chǎn)生，次法線方向的旋轉(zhuǎn)壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的，第一項(xiàng)產(chǎn)生的正的流線方向的旋轉(zhuǎn)分量EMBEDEquation.2。而在靠近內(nèi)直徑處的B點(diǎn)，引起負(fù)的EMBEDEquation.2，其結(jié)果是形成前蓋板及后蓋板表面邊界層上的二次流，使前、后蓋板表面邊界層內(nèi)的低I微團(tuán)流到非工作面上，并且從連續(xù)性出發(fā)也把工作面上的低I微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上去，這樣就增厚了非工作面上的邊界層。由于I梯度與ω幾乎垂直，由式(2-1)的第二項(xiàng)引起的二次流較小。由于在葉輪出口處的C、D兩點(diǎn)位于流道的徑流部位，因此主要由第二項(xiàng)引起如圖所示方向的正、負(fù)EMBEDEquation.2和二次流，這樣也就把前、后蓋板邊界層內(nèi)低能微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上去，增加了非工作面上的邊界層。

將同樣的分析方法應(yīng)用于子午平面內(nèi)，當(dāng)流線由軸向向徑向拐彎時(shí)，在工作面和非工作面邊界層上形成二次流旋渦，它們把工作面和非工作面上邊界層內(nèi)的低I微團(tuán)驅(qū)趕到前蓋板上，增厚了前蓋板表面的邊界層。

上面分析可以得出產(chǎn)生流線方向上二次流旋渦有三個(gè)來源：

1)彎曲葉片；它使流動(dòng)從進(jìn)口沖角方向轉(zhuǎn)到軸線方向，把前、后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上，由于工作面邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)是不穩(wěn)定的，因此也被驅(qū)趕到非工作面上。

2)軸向向徑向拐彎；由于子午面上前后蓋板型線存在曲率，把工作面和非工作面以及后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)轉(zhuǎn)移到前蓋板表面。

3)旋轉(zhuǎn)；隨著流動(dòng)從軸向到徑向，旋轉(zhuǎn)對(duì)二次流旋渦的貢獻(xiàn)不斷增加，哥氏力產(chǎn)生的二次流使低I流體從前、后蓋板表面以及不穩(wěn)定的工作面表面的低I流體轉(zhuǎn)移到非工作面上

由于分層效應(yīng)的影響，使高能流體微團(tuán)在工作面和后蓋板一側(cè)積聚，促使來流速度加快，并且邊界層增長(zhǎng)緩慢，減少了分離傾向。而在非工作面和前蓋板一側(cè)則有低能流體微團(tuán)積聚，從而降低了來流速度，加劇了邊界層增長(zhǎng)，助長(zhǎng)了邊界層分離傾向。

3.尾流-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離

上面已經(jīng)提及離心葉輪通道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)較小的尾流區(qū)和近似于無粘的射流區(qū)組成，考慮到真實(shí)流體的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了邊界層，在葉片曲率以及旋轉(zhuǎn)的作用下，非工作面上的邊界層由于二次流的影響越來越厚，有容易在某一小流量下發(fā)生失速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊界層分離。高揚(yáng)程潛水泵

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