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離心泵葉輪與泵蓋的間隙變化對運行性能影響的研究

2017-08-29 06:32張弋揚賈瑞旗張智彬
水電站機電技術(shù) 2017年5期
關(guān)鍵詞:泵體離心泵脈動

張弋揚,賈瑞旗,閆 宇,張智彬

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

離心泵葉輪與泵蓋的間隙變化對運行性能影響的研究

張弋揚,賈瑞旗,閆 宇,張智彬

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

離心泵應(yīng)用廣泛,從工程實際和模型試驗中發(fā)現(xiàn),離心泵內(nèi)各種間隙的存在是產(chǎn)生泄漏損失、影響離心泵效率的重要原因。本文以單級單吸式離心泵為研究對象,通過模型試驗研究葉輪與泵蓋的間隙變化對運行性能的影響。這對工程實際中離心泵安全、節(jié)能運行具有重要的意義。

離心泵;間隙;運行性能;試驗

1 引言

離心泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)及城市給排水等眾多領(lǐng)域,在國民經(jīng)濟中有著重要的地位。其中,離心泵的能耗約占全國發(fā)電總量的1/12[1],所以提高離心泵的效率、節(jié)約能源是本行業(yè)的重要目標(biāo)。離心泵的種類很多,存在著各種間隙且間隙大小各不相同。從工程和試驗中發(fā)現(xiàn)離心泵的間隙對性能影響明顯,不合理的間隙值會造成不必要的泄漏損失和液體內(nèi)部的漩渦流動等,都會降低離心泵的效率,對其運行性能產(chǎn)生負面影響。

離心泵內(nèi)的主要間隙有:口環(huán)間隙、葉頂間隙和葉輪與泵蓋的間隙等。其中對離心泵葉輪口環(huán)間隙和葉頂間隙[2-4]的研究開展較多且深入。研究表明泄漏損失是由于離心泵葉輪與口環(huán)密封之間存在的間隙造成的,對離心泵的性能產(chǎn)生重要影響。但是對于大型離心式泥泵不存在口環(huán)密封,而是靠泵前蓋和葉輪進口端面進行密封。雖然與口環(huán)密封原理相似但結(jié)構(gòu)差異很大,目前還沒有這方面的試驗和數(shù)值模擬的文獻可以參考。所以研究泵蓋和葉輪進口端面的間隙變化對離心泵性能的影響,是離心泵安全、節(jié)能運行必要的技術(shù)支持,具有重要的意義和創(chuàng)新性。

本文的研究對象是單級單吸式離心泵,通過改變?nèi)~輪與泵前蓋的間隙值分別進行試驗,以研究間隙對離心泵運行性能的影響;模型試驗在中水北方勘測設(shè)計有限責(zé)任公司的水力模型通用試驗臺上進行,按照設(shè)計方案針對間隙小于0.01mm的微間隙和間隙0.1mm、0.22mm、0.42m、0.62mm進行了離心泵效率、空化試驗。在效率試驗的同時,同步采集了各工況的壓力脈動數(shù)據(jù)。

2 離心泵間隙變化模型結(jié)構(gòu)及試驗方案設(shè)計

2.1 離心泵間隙變化模型結(jié)構(gòu)

圖1 模型泵裝配圖

圖2 模型轉(zhuǎn)輪照片

圖1為離心泵模型裝配圖,模型由泵體、葉輪、泵前蓋、后護板、密封部分和軸承組件等組成。圖2為模型泵葉輪照片,葉片數(shù)為3,葉輪進口直徑為174.5mm。

試驗通過調(diào)整模型泵軸承組件的位置來改變?nèi)~輪與泵前蓋之間的間隙。其中后護板與泵前蓋之間的距離為109mm,葉輪寬度為106.8mm。因此,葉輪在后護板和泵前蓋之間形成的間隙值為2.2mm。如圖3所示:液體能從葉輪與泵前蓋的間隙f重新流入葉輪進口,但是不能從葉輪與后護板的間隙b回流;所以,影響離心泵性能的主要是葉輪與前蓋板的間隙f。

圖3 模型間隙示意圖

2.2 試驗方案設(shè)計

為了進行離心泵間隙變化模型試驗,需要在傳統(tǒng)性能模型試驗的基礎(chǔ)上針對間隙變化測試的特點進行試驗方案設(shè)計。試驗是通過調(diào)節(jié)模型泵軸承組件來改變?nèi)~輪與泵前蓋的間隙,故性能試驗時需要調(diào)節(jié)5次間隙,分別進行相應(yīng)間隙的性能試驗和運行性能監(jiān)測。所以不僅要在蝸殼上設(shè)置壓力脈動測點,還需要在泵前蓋不同方位設(shè)置測點以監(jiān)測間隙變化對壓力脈動的影響。如圖4所示為各傳感器測點布置圖。

在模型泵進、出口2倍管徑的位置布置了測壓環(huán)管,用于揚程的測量。在泵基座位置按照泵的軸向、徑向和垂直方向布置了振動傳感器、距離泵軸線1m的位置安放了聲級計進行噪聲測試。在泵的蝸殼和泵前蓋上安放了壓力脈動傳感器,測點布置如圖5所示。從蝸殼出口開始布置測點,沿蝸殼幾何中心線按照順時針方向分別為PBT1~PBT6、在垂直于蝸殼中心平面、靠近蝸舌的位置布置測點PBT7,泵前蓋上的壓力脈動測點按照直角坐標(biāo)系方位布置,分別為PQG1~PQG4。

本次試驗轉(zhuǎn)速采用1000r/min,故轉(zhuǎn)頻為16.67Hz;轉(zhuǎn)輪共有3葉片,故葉頻約為50.01Hz。由于采樣頻率至少應(yīng)大于最高頻率的40倍才能捕捉完整的信號,所以采樣頻率至少應(yīng)選用2048Hz。壓力脈動和振動試驗結(jié)果取值方法采用97%置信度進行取值,即剔除3%不可信區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù),求出混頻雙振峰峰值。

圖4 傳感器測點布置圖

圖5 壓力脈動測點布置

3 離心泵間隙變化對性能的影響

3.1 不同間隙下的能量試驗分析

5個間隙值能量試驗結(jié)果如圖6至圖8所示,分別為不同間隙值的流量-效率試驗曲線、流量-揚程試驗曲線和流量軸功率試驗曲線。不同間隙值最優(yōu)工況點的性能參數(shù)如表1所示。

表1 不同間隙下最優(yōu)工況點性能參數(shù)

圖6 不同間隙值的流量效率試驗曲線

圖7 不同間隙值的流量揚程試驗曲線

圖8 不同間隙值的流量軸功率試驗曲線

圖6所示為不同間隙下的流量-效率的關(guān)系,可以看出隨間隙增大效率逐漸降低,且間隙越大,效率下降的越多;圖7所示為不同間隙下的流量-揚程關(guān)系,隨間隙增大揚程逐漸減小,且間隙越大,揚程下降的越多;但是軸功率基本不變。這是由于部分流體從葉輪出口經(jīng)過間隙回流到葉輪進口造成的,間隙越大回流越多,容積損失也就越大。所以離心泵的揚程和效率成正比例相應(yīng)降低,軸功率基本不受影響。

3.2 不同間隙下的空化試驗分析

試驗選取了間隙值為f0mm、0,22mm和0.42mm的大流量工況進行試驗對比。如圖9至圖11所示。

圖9 間隙為f0mm時大流量工況空化試驗曲線

圖10 間隙為0.22mm時大流量工況空化試驗曲線

圖11 間隙為0.42mm時大流量工況空化試驗曲線

從以上圖中可以看出,流量工況為100l/s左右時,間隙為微間隙f0mm的臨界空化余量NPSHC為1.8m左右;間隙為0.22mm的臨界空化余量NPSHC=1.86m;間隙為0.42mm的臨界空化余量NPSHC=2.381m。因此,試驗結(jié)果表明隨間隙值的增大,空化性能越差。

3.3 不同間隙下的壓力脈動試驗分析

圖12 間隙為f0mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖13 間隙為0.1mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖14 間隙為0.22mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖15 間隙為0.42mm時泵體壓力脈動試驗曲線

圖16 間隙為0.62mm時泵體壓力脈動試驗曲線

從圖12至圖16可以看出:在靠近隔舌處的PBT5和PBT6測點位置壓力脈動值較大,距離泵出口較近的PBT1、PBT2、PBT7測點位置壓力脈動值較小。表2為泵體測點不同間隙最優(yōu)工況的壓力脈動數(shù)據(jù),當(dāng)間隙值從f0mm增加至0.22mm時,各測點的壓力脈動值逐漸減小;當(dāng)間隙值大于0.22mm后,各測點壓力脈動值開始增大,但仍小于間隙值為f0mm時的壓力脈動值;當(dāng)間隙值大于0.42mm后,如0.62mm各測點,壓力脈動值又開始減小。

表2 泵體測點不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動值

圖17 間隙為f0mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖18 間隙為0.1mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖19 間隙為0.22mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖20 間隙為0.42mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

圖21 間隙為0.62mm時泵前蓋壓力脈動試驗曲線

從圖17至圖21可以看出:在靠近隔舌處的PQG1測點位置壓力脈動值較大(距離泵體PBT5和PBT6測點最近),在各間隙最優(yōu)工況點時(如各圖中空心圓點所示),均為各測點位置的較小值。表3為泵體測點不同間隙最優(yōu)工況的壓力脈動數(shù)據(jù),當(dāng)間隙值從0mm增加至0.22mm時,各測點的壓力脈動值逐漸減?。划?dāng)間隙值大于0.22mm后,各測點壓力脈動值開始增大,但仍小于微間隙f0mm時的壓力脈動值;當(dāng)間隙值大于0.42mm后,如0.62mm各測點,壓力脈動值又開始減小。

表3 泵前蓋不同間隙最優(yōu)工況壓力脈動值

4 結(jié)論

本文給出了葉輪與泵前蓋間隙小于0.01mm時的微間隙f0mm和間隙值分別為0.1mm、0.22mm、0.42mm和0.62mm的能量性能和運行性能監(jiān)測的試驗結(jié)果,并總結(jié)了5個間隙下最優(yōu)工況的壓力脈動、振動和噪聲的規(guī)律。

根據(jù)變間隙的試驗結(jié)果得到以下結(jié)論:隨間隙增大回流增多,容積損失也就越大,所以效率和揚程逐漸降低,且間隙越大,效率和揚程下降的越多;但是軸功率基本不變。空化結(jié)果表明:隨著間隙值的增大空化性能越差。

泵體的壓力脈動值在蝸舌附近最大,且間隙越小壓力脈動值越大。泵體壓力脈動大的位置對應(yīng)于泵前蓋相應(yīng)位置的壓力脈動值也大,而距離泵出口較近的泵體測點對應(yīng)于泵前蓋相應(yīng)位置的壓力脈動值則相應(yīng)較小。這說明泵體的壓力脈動對葉輪和泵前蓋間隙的壓力脈動有很大影響。

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M].北京:中國宇航出版社,2011.

[2]李仁年.間隙對螺旋離心泵性能影響的預(yù)測及試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2007,38(6):79-81.

[3]DorneyDJ,GriffinLW,HuberFW.AStudyoftheEffects ofTip ClearanceinaSupersonicTurbine[J].Journalof Turbomachinery,2000,122:674-683.

[4]DaleE,VanZante.RecommendationsforAchievingAccurate NumericalSimulationofTipClearanceFlowsinTransonic-CompressorRotors[J].JournalofTurbomachinery,2000,122: 733-742.

TV734.4

B

1672-5387(2017)05-0011-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.003

2016-05-15

張弋揚(1983-),女,工程師,研究方向:水力模型試驗。

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