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控制矿用多級泵不穩定特性及試驗研究

文章出處:責任編輯:人氣:-发表时间:2016-01-21 15:30【

控制矿用多級泵不穩定特性及試驗研究

本文主要從設計角度出發,弄清這些小流量不穩定的形成機理並分析其影響因素,從而來指導低比轉速高速誘導輪矿用多級泵的設計,使高速礦用多級泵的扬程流量特性线H~Q不存在正斜率上升段,即高速矿用多級泵具有很好的小流量工作稳定性●!
  産生不穩定現象的機理  
  产生小流量不稳定现象的原因主要是诱导轮进口前缘外径处产生的回旋流、离心轮进口的回流、叶轮流道里的二次流、叶轮流道内的尾迹-射流结构与流动分离、以及叶轮与蜗壳联合工作时出现的叶轮出口二次流等。这些因素的存在,一方面影响了高速离心泵的流场分布,另一方面又消耗了很大的能量,致使小流量区的扬程和效率下降,因此就很容易使高速矿用多級泵特性线出现正斜率上升段,从而使高速矿用多級泵在小流量工况下产生不稳定现象。下面就对这几种不稳定因素的产生机理进行阐述●! 
  1.進口回流産生的機理  
  关于叶轮进口回流产生的机理国内外许多学者作了研究。Stepanoff是较早对矿用多級泵叶轮进口回流机理进行研究的学者之一,他认为液体流动是靠能量坡度维持的,在流量降低到了接近零时,由于液体惯性力的作用,叶轮有可能使其进口周围的圆周速度增加,因此管壁附近的能量增加,这使得维持液体沿流线流动所必须的能量坡度不在存在,因此就在叶轮进口附近的液流发生倒流。Fraser认为离心扬程对于给定的叶轮直径和流量来说是不变的,而动扬程是流量的函数,在扬程流量曲线上某些点,动扬程一旦超过离心扬程,那么在这些点压力梯度反向,导致了流动方向相反,即产生回流现象。文献3从理论和实验两方面分析了低比转速矿用多級泵叶轮进口回流产生的机理,认为旋转速度分量是叶轮进口回流产生的主要原因,并指出回流是导致小流量不稳定现象的主要原因●! 
  由于设计人员在设计低比转速高速诱导轮矿用多級泵时往往采用正冲角方法,即为了保证诱导轮产生的扬程能够满足离心轮进口的能量要求,取诱导轮叶片进口角大于液流角,同时为使离心轮获得较好的汽蚀性能,也取其叶片进口角大于液流角;另外为了获得较高的效率,在设计比转速高速诱导轮矿用多級泵时普遍采用加大流量设计,这就使运行工况下的实际液流角小于设计工况下的液流角,这样就使诱导轮和离心轮进口前缘都具有不均匀的圆周速度分量,从而产生绕流线的旋涡。因此诱导轮和离心轮的进口回流实际上也就是由于旋转叶片边缘处的液流圆周分速不均匀引起的,是包含垂直于轴面的旋涡和绕流线旋涡的回漩流●! 
  2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應  
  現在的流場分析與流動測試研究已表明離心葉輪流道內的流動基本上是由相對速度較小的尾流區和近似于無粘性的射流區所組成,尾流區緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上,尾流區愈寬,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-尾流結構愈強,葉輪內的損失也就愈大。尾流的形成與發展是邊界層的發展、二次流的發展、流動分離和分層效應等因素相互影響相互促進而形成的●! 
  關于二次流的形成及其對尾迹的影響,國內外許多學者作了研究,定性來講可用下式來分析葉輪旋轉流道中的二次流:  
  EMBEDEquation.2(2-1)  
  上式中的EMBEDEquation.2爲旋轉滯止壓力,EMBEDEquation.2爲相對流線的旋轉分量,EMBEDEquation.2分別爲I對次法線方向和旋轉軸方向的偏導數。上式表明相對流線方向的旋渦是由兩個因素産生:一是爲具有半徑Rn的流線曲率,另一是旋轉角速度ω引起的●! 
  旋轉滯止壓力I是動壓力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邊界層內存在較大的相對速度梯度,因此具有均勻折算靜壓的邊界層內I的小值出現在壁面上,其值等于p*●! 
  考慮葉輪流道的B-B流動,假設由于進口管壁面的摩擦已經産生了如圖所示的速度剖面,考慮B-B的流道的一個流面ABCD,靠近葉輪流道外直徑的A點,流線曲率由葉片曲率産生,次法線方向的旋轉壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的,項産生的正的流線方向的旋轉分量EMBEDEquation.2。而在靠近內直徑處的B點,引起負的EMBEDEquation.2,其結果是形成前蓋板及後蓋板表面邊界層上的二次流,使前、後蓋板表面邊界層內的低I微團流到非工作面上,並且從連續性出發也把工作面上的低I微團驅趕到非工作面上去,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)的項引起的二次流較小。由于在葉輪出口處的C、D兩點位于流道的徑流部位,因此主要由項引起如圖所示方向的正、負EMBEDEquation.2和二次流,這樣也就把前、後蓋板邊界層內低能微團驅趕到非工作面上去,增加了非工作面上的邊界層●! 
  將同樣的分析方法應用于子午平面內,當流線由軸向向徑向拐彎時,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的低I微團驅趕到前蓋板上,增厚了前蓋板表面的邊界層●! 
  上面分析可以得出産生流線方向上二次流旋渦有三個來源:  
  1)彎曲葉片;它使流動從進口沖角方向轉到軸線方向,把前、後蓋板表面上邊界層內的低I流體微團驅趕到非工作面上,由于工作面邊界層內的低I流體微團是不穩定的,因此也被驅趕到非工作面上●! 
  2)軸向向徑向拐彎;由于子午面上前後蓋板型線存在曲率,把工作面和非工作面以及後蓋板表面上邊界層內的低I流體微團轉移到前蓋板表面●! 
  3)旋轉;隨著流動從軸向到徑向,旋轉對二次流旋渦的貢獻不斷增加,哥氏力産生的二次流使低I流體從前、後蓋板表面以及不穩定的工作面表面的低I流體轉移到非工作面上  
  由于分層效應的影響,使高能流體微團在工作面和後蓋板一側積聚,促使來流速度加快,並且邊界層增長緩慢,減少了分離傾向。而在非工作面和前蓋板一側則有低能流體微團積聚,從而降低了來流速度,加劇了邊界層增長,助長了邊界層分離傾向●! 
  3.尾流-射流結構與流動分離  
  上面已經提及離心葉輪通道內的流動基本上是由相對較小的尾流區和近似于無粘的射流區組成,考慮到真實流體的粘性作用,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生失速現象,從而導致邊界層分離。