CN103047124A

CN103047124A - 离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置

Info

Publication number: CN103047124A
Application number: CN2011103094562A
Authority: CN
Inventors: 朱瑞松; 顾伯勤; 戴玉林; 邵春雷; 范根芳; 王洪静; 周剑锋; 李学勇; 黄星路; 章炳华; 陈晔
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yangzi Petrochemical Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yangzi Petrochemical Co Ltd
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN103047124B

Abstract

离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置，包括以下五个部分：水路系统、动力传动系统、模型泵、外特性数据采集系统、内部流动测量系统；动力传动系统驱动模型泵、模型泵与水路系统连接，外特性数据采集系统和内部流动测量系统均通过布置于动力传动系统、模型泵与水路系统进行测量；外特性数据采集系统包括微型计算机和测量泵进出口压力、泵流量、扭矩和转速的各传感器、放大器和A/D转换器；内部流动测量系统包括同步控制器（30）、脉冲激光光源、激光器（31）、计算机（32）和CCD相机，通过同步控制器连接激光器和CCD相机同步，采样频率由霍尔传感器外同步控制。

Description

离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置

技术领域

本发明涉及流体机械试验的方法与装置，尤其是对离心泵的关键参数进行测量的方法与装置。

背景技术

离心泵是一种把原动机的机械能转化成被输送流体的动能和压力能，即给予被输送流体能量的流体机械，它广泛应用于工农业生产中。离心泵的外特性主要包括：扬程、流量、轴功率和效率等是泵选型的主要依据，直接影响生产过程中的工况参数，而离心泵的外特性又受泵内部流动状态的影响，通过改善泵的内部流动状态可以有效提高泵的外特性。

离心泵外特性测量技术是一门较为成熟的技术。流量可采用标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里喷嘴、水堰、容器、涡轮流量计等进行测量。采用测压仪表测量泵进出口压力，根据泵进出口压力、进出口高度差和进出口的流速，计算得到泵的扬程。测压仪表可选择液柱压力计、弹簧压力计、重力压力计或满足精度要求的其它型式压力计。转速的测量可用直接显示的数字仪表测出测量时间内的转数，对于交流电动机驱动的泵，可由平均频率观测值和转差率确定。扭矩可采用天平式测功计和扭矩式测功计进行测量，测量扭矩的同时测定转速，采用扭转力矩法可计算出轴功率。根据泵效率的定义，由上述测量值可计算出泵的效率。提高各参量的测量精度是外特性测量成功的关键，增强测量数据的后处理能力，自动生成H-Q、N-Q、h-Q性能曲线图可大大减少对实验数据的处理工作量。

离心泵内部流动测量技术主要有非光学测量技术和流动显示技术。非光学测量技术主要包括探针和热线热膜技术，如多孔探针、旋转探针、热线热膜风速仪和涡量探针等，其缺点是探针和热线/热膜的介入均会扰动真实流场，且需借助复杂的遥测技术，将采集信号从转子传递到静止参考系。流动显示技术可分为传统的流动显示技术和现代的流动显示技术。传统的流动显示技术又可分为壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法4类，具体有氢气泡法、彩色氦气泡法、油流法、丝线法、阴影法、纹影法、干涉法等。现代非接触流动显示技术包括激光多普勒测速LDV技术、相位多普勒PDPA技术、粒子图像测速PIV技术、激光诱发荧光LIF技术、激光分子测速LMV技术和压敏涂层测压PSP技术等。PIV技术与其它技术相比具有以下优点：1它为非接触激光测量技术，不会对流场产生干扰；2不仅可以得到速度的平均值，而且可以得到速度的瞬态信息；3可以实现同一时刻的全流场测量；4测量精度高。本发明涉及的内部流动测量装置正是为了满足PIV技术的使用要求而设计的。

20世纪50年代以前，限于流动测量技术，旋转叶轮内部的流动很难采用实验手段进行研究，因而，人们对离心泵内部的真实流动情况知之甚少。随着实验手段的不断发展，离心泵内部的实际流动才逐步被人们所认识。

20世纪50年代，Acosta和Bowerman用随叶轮旋转的压力计测量了叶轮内的压力分布和速度分布，认为，死水区并不死，只不过是相对总压损失较大而已，在小流量至设计流量以上的相当大的范围内，叶片的吸力面侧是离心泵叶轮内部流动损失相对集中的区域，这一区域被称为尾迹区。60年代，Fowler测量了旋转径向流道内的流动，发现流道出口附近吸力面侧流速明显低于压力面侧，与势流预测正好相反。70年代，Lennemann和Howard用氢气泡实现流动显示，研究了闭式和开式叶轮的流道失速机理。Moore用旋转水槽来模拟离心泵内部的流动状况，研究了旋转和二次流对流动的影响，并提出了“射流－尾迹”计算模型。Howard和Kittmer在与Moore相同的试验台上采用热膜探头测量了闭式和开式叶轮流道中部及叶片间的流动速度，发现无盖板时叶轮流道间的泄漏对主流有明显的干扰作用。80年代，Johnson和Moore试验研究了离心泵叶轮流量对尾迹的影响，试验中用随转子一起转动的五孔探针测量三维速度。Hamkins和F1ack用二维激光速度仪测量了不同流量下有机玻璃泵叶轮和蜗壳内的流动，试验表明，泵的叶轮“射流－尾迹”发展靠近压力面，无盖板时叶轮流道间的泄漏对主流有明显的干扰作用。Paone用PIDV测量了带闭式叶轮的有机玻璃离心泵无叶扩压器的流场。90年代后，Rohne和Banzhaf用LIF研究了离心叶轮内的流动，并与经典的“射流－尾迹”理论进行了比较。Dong和Chu采用PDV测量技术研究了离心泵蜗壳，特别是蜗壳隔舌区的流场，且利用所得的数据计算了压力场。Xu采用PIV研究了离心泵流场中固体粒子的速度，指出固体粒子密度、尺度等物理量对流体运动有重要影响，还分析了开式叶轮效率低于闭式叶轮，且易于磨损的原因。Wuibaut等采用PIV研究了设计和非设计工况下离心泵无叶扩压器内的流动情况。Sinha等采用PIV研究了离心泵叶轮和有叶扩压器之间的动静交互作用，讨论了离心泵内部流动结构和湍流模型。Nicholas等分别采用PIV和LDV测量了设计和非设计工况下离心泵叶轮内部流场。

近年来，国内科研人员也相继开展了离心泵内部流动的试验研究。90年代初，李世煌用示踪粒子配合高速摄影法测量了离心泵蜗壳内隔舌附近的流动，指出低比速离心泵H-Q曲线出现驼峰的内在原因之一是隔舌附近有回流区存在，应减小隔舌螺旋角以利于消除驼峰。黄建德等采用动态探针测量了不同叶片进口角、叶片数、闭式和开式、不同叶顶间隙离心泵叶轮进口叶片间的流场；并采用压力传感器，对离心泵进口静压进行了频谱分析和进口流动的可视化观测，研究了离心泵空泡脉动现象及其主动控制方法。许洪元等采用PIV对离心泵流道中固体颗粒速度场进行了研究，指出开式叶轮比闭式叶轮效率低、磨损快的原因是由于颗粒受到水流泄漏的影响，其相对速度比在闭式叶轮中的大。李文广采用二维激光测速计测量了小出口角离心泵输送清水时最优和小流量工况叶轮内部的流动，发现在叶片吸力面没有很宽的尾流，压力面也不存在射流，叶轮内部流动与“射流－尾迹”模型不符合。本世纪初，李文广等采用LDV对输送粘油和清水的离心泵内部流动进行了测量，试验表明，离心泵叶轮出口处流动不符合“射流－尾迹”模型，而是“主流－尾流”模型，这是因为尾流区与非尾流区不存在大梯度的剪切层。2003年，杨华等采用PIV对离心式水泵有盖板叶轮内部流场进行了试验，结果表明，两种工况下不同窗口的流场均有明显差异，呈不对称分布；小流量工况下始终存在一个低速区，其位于叶槽出口之间，靠近吸力侧。2004年，汤方平等采用PIV技术和数值模拟对半开式叶轮内部的紊流流场进行研究，二维PIV测试的结果能较好地验证紊流计算结果，同时也说明，即使在最优工况下叶轮中各叶槽间的流动也有明显的差别。闻苏平等采用PIV测量了离心风机叶轮内部的非定常流动，获得了叶轮内部非定常流场的相对速度分布，观察到了明显的“射流－尾迹”结构。2005年，李文广采用LDV在最优工况和小流量工况下测量了比转速为93的单级悬臂离心泵蜗壳内的非定常流动，表明蜗壳内液体流速随叶轮转过角度呈周期性脉动，随着测量点离叶轮出口距离的增加，液体圆周分速度衰减较快，变得越来越均匀，周期性脉动越来越弱。杨小林等采用PIV对普通叶轮改型设计后的有机玻璃叶轮内部流场进行了测量，分析并归纳总结出轴向旋涡流相对速度大小、方向在不同半径处的分布规律以及在工作面、背面上的变化趋势。2006年，陈松山等采用二维PIV测量了不同转速下叶轮内部的瞬时流场，结果表明，离心泵叶轮通道内液体受曲率、离心力和科氏力作用，叶轮内部的流动呈现出非对称和非均匀性；相同流量不同转速下叶轮内部流体的流动规律基本相似，但流动偏转角Db随转速增大而增大。2008年，袁寿其等采用PIV对不同工况下带分流叶片的离心式水泵叶轮内部流场进行了测量，并进行了数值模拟，获得了不同工况下叶轮内的流速分布规律，揭示了流动的非对称性、长叶片吸力面进口附近有回流、各种工况下分流叶片前缘入口稍后处的吸力面侧均存在一个高流速区、分流叶片改善出口速度分布、随着流量的增加叶轮内相对流速明显增加等直接影响带分流叶片离心泵性能的多种流动现象。2009年，邵春雷等人对离心泵吸水室内部流动进行了测量，结果表明，吸水室入口处速度分布较为均匀，在出口处流体发生偏流，存在明显的径向速度梯度；在试验范围内，随着流量的增加，出口处轴向速度分布均匀度提高，速度加权平均偏流角减小；吸水室内瞬时体积流量具有脉动特征，呈正态分布。

综上所述，离心泵外特性和内部流动试验研究十分重要。而迄今的试验装置其测试功能相对分散、内部流动测量区域小、操作复杂、自动化程度低，无法满足离心泵相关技术的飞速发展。研制功能完善、测试精度高、测量区域广的外特性和内部流动试验装置具有深远意义。该装置不仅为离心泵外特性的测量和内部流动规律的研究提供了良好的平台，而且对离心泵性能的提高和内部流动测量技术的进步起到了积极的推动作用。

发明内容

本发明目的是：针对现有泵性能试验装置功能分散、内部流动测量区域小、操作复杂、自动化程度低等缺点，设计一套结构新颖，使用高精度传感器，既可测量离心泵外特性又可全面测量内部流动的多功能试验装置。

本发明技术方案是：离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置，离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置包括5个主要部分：水路系统、动力传动系统、模型泵、外特性数据采集系统、内部流动测量系统。动力传动系统驱动模型泵、模型泵与水路系统连接，外特性数据采集系统和内部流动测量系统均通过布置于动力传动系统、模型泵与水路系统进行测量；水路系统：由水槽21、球阀15、软管3、模型泵12、软管、涡轮流量计9、调节阀6和排水口22组成并依次连接，在水槽内安装稳流栅，模型泵进出口均采用软管进行连接；离心泵进口前等径直管段长度不小于12倍管径，涡轮流量计的上游侧留有不小于20倍管径长度的直管段，涡轮流量计的下游侧留有不小于5倍管径长度的直管段，保证测量的精度；水槽底部坡度为5：1000；模型泵的安装位置低于水槽内液面，泵启动时无需灌泵；

动力传动系统，该系统由电机19、联轴器7、传动轴5、轴承座13、轴承座支座16、扭矩转速传感器17、扭矩转速传感器支座18、电机支座20、变频器组成，电机19、联轴器7和传动轴5连接，传动轴5支于轴承座13，扭矩转速传感器装于电机和传动轴之间，测量电机传递给泵传动轴的扭矩和转速；传动轴上安装的扭矩转速传感器为霍尔传感器，用于非定常流动测量时给出图像采集触发信号；电机为模型泵离心泵提供动力，通过变频器连接电机实现电机转速的调节；

模型泵包括蜗壳23、叶轮24、吸水室25、进排水口26、排气口27、光学补偿盒28、蜗壳和泵后盖板29，叶轮24装在蜗壳23内、吸水室25连通蜗壳、进排水口26和排气口27装在吸水室25上，光学补偿盒28装在蜗壳的前部、蜗壳后部装泵后盖板29光学补偿盒采用透光性好的有机玻璃加工；蜗壳与泵后盖板之间采用硅胶垫进行密封；蜗壳采用矩形截面蜗壳，叶轮的叶片采用进出口等宽的二维叶片，叶轮采用半开式结构；

外特性数据采集系统包括微型计算机和测量泵进出口压力、泵流量、扭矩和转速的各传感器、放大器和A/D转换器，传感器连接放大器并经A/D转换器转换成数字量，通过输入接口与计算机相连；

内部流动测量系统包括同步控制器30、脉冲激光光源、激光器31、计算机32和CCD相机33，由脉冲激光光源驱动激光器31照射所测流场区域，通过同步控制器连接激光器和CCD相机同步工作，将计算机采集的两次曝光的PIV图像用互相关的方法进行处理，获得每一查询区中粒子图像的平均位移，由此确定流场的速度；在进行定常流动测量时，采样频率由计算机内同步控制；在进行非定常流动测量时，采样频率由霍尔传感器外同步控制。

本发明的有益效果是：1）装置功能全。本装置能够同时满足不同工况流量、扬程、转速下离心泵外特性和内部流动测量的需要，能够同时满足离心泵内部流动定常测量和非定常测量的需要，能够同时满足工程测试和理论研究的需要。2）测量区域广。离心泵吸水室、叶轮流道和压水室等区域都可以采用PIV进行拍摄，能够对离心泵全流道进行测量，可测量的区域较广。3）操作简便。泵的安装位置低于水槽水位，泵启动时无需灌泵。采用了可拆卸的光学补偿盒，在变换测量区域时，光学补偿盒装拆方便。4）与工程接近。为满足PIV测量的要求，模型泵在结构上作了必要的简化，但是这种由结构简化所导致的离心泵水力性能的变化较小，模型泵的性能仍与工程实际中应用的泵的性能接近，不会影响对离心泵内部流动规律的研究。5）自动化程度高。所有数据均由计算机进行采集。对离心泵外特性数据采集后自动生成H-Q、N-Q、h-Q性能曲线图，大大减少对实验数据的处理工作量；对离心泵内部流动进行拍摄后，经计算机数字图像处理，可直接输出速度矢量图、速度云图和流线图等。

附图说明

图1 试验装置总装结构示意图。

图2 管道布置空视图。

图3 模型泵结构示意图。

图4 叶轮和压水室内部流动测量系统布置示意图。

图5 H-Q性能曲线。

图6 N-Q性能曲线。

图7h-Q性能曲线。

图8叶轮流道内部测量区域。

图9 叶轮流道内部绝对速度分布m/s。

图10蜗舌附近压水室内速度矢量图m/s。

图11 吸水室内部速度矢量分布m/s。

具体实施方式

各部分之间关系参见附图。

水路系统：由水槽21、球阀15、DN80不锈钢管1、DN80软管2、DN50不锈钢管8、DN50软管3、模型泵12、涡轮流量计9、调节阀6和排水口22组成，如图1和2所示。其特征在于：一、水槽内安装稳流栅，稳定槽内水流，减小流量波动；二、模型泵进出口均采用软管进行连接，以补偿安装误差及防止运行时的振动造成有机玻璃模型泵的破坏；三、离心泵进口前等径直管段长度不小于12倍管径，涡轮流量计的上游侧留有不小于20倍管径长度的直管段，下游侧留有不小于5倍管径长度的直管段，保证测量的精度；四、水槽底部坡度为5：1000，以便换水时水能够全部从排水口排净；五、水路系统中所有过流部件均采用不锈钢制品，以防止生锈污染水质，影响PIV测量效果；六、模型泵的安装位置低于水槽内液面，泵启动时无需灌泵；七、所设计的管路布置方式有利于内部流动测量试验的开展。

动力传动系统，该系统由电机19、联轴器7、扭矩转速传感器17、传动轴5、轴承座13、轴承座支座16、扭矩转速传感器支座18、电机支座20、变频器等组成，如图1所示。其特征在于：一、扭矩转速传感器装于电机和传动轴之间，测量电机传递给泵传动轴的扭矩和转速；二、传动轴上安装有扭矩转速传感器即霍尔传感器，用于非定常流动测量时给出图像采集触发信号；三、电机为离心泵提供动力，通过变频器连接电机实现电机转速的调节。

模型泵，模型泵由蜗壳23、叶轮24、吸水室25、进排水口26、排气口27、光学补偿盒28、蜗壳和泵后盖板29等组成，如图3所示。其特征在于：一、为了能够采用PIV测量泵内部流动，蜗壳、吸水室、光学补偿盒采用透光性好的有机玻璃加工而成；二、测量模型泵内叶轮旋转的流道和模型泵内压水室内部流动时，拆除方形光学补偿盒，测量吸水室内部流动时，安装上方形光学补偿盒，以抵消光折射造成的测量误差；三、为了达到良好的密封效果，又不形成大的密封比压，蜗壳与泵后盖板之间采用硅胶垫进行密封；四、测量吸水室内部流动时，从进排水口充水，从排气口排气，保证光学补偿盒内部充满水；五、为了减小光折射造成的测量误差，蜗壳采用矩形截面蜗壳。六、为了能够测量到叶轮流道内部尽可能广的区域，叶轮的叶片采用进出口等宽的二维叶片，叶轮采用半开式结构。

外特性数据采集系统，该系统以微型计算机为核心，测量泵进出口压力、泵流量、扭矩和转速的各传感器将各种被测参数如：泵进出口压力、泵的流量、扭矩和转速等转换成模拟电压信号，传感器通过放大器进行放大或衰减，并经A/D转换器转换成数字量，通过输入接口与计算机相连。试验过程中，数据采集系统对被测参数进行巡回检测、采集、储存。试验结果可以以数据、表格、曲线或拟合公式的形式通过外围设备打印机、绘图仪给出。

内部流动测量系统，该系统主要由同步控制器30、激光器31、计算机32和CCD相机33组成。内部流动测量系统基本工作原理如图4所示，在流场中撒布合适的示踪粒子，用脉冲激光片光源照射所测流场区域，通过同步控制器保证激光器和CCD相机同步工作，将计算机采集的两次曝光的PIV图像用互相关的方法进行处理，获得每一查询区中粒子图像的平均位移，由此确定流场的速度。在进行定常流动测量时，采样频率由计算机内同步控制；在进行非定常流动测量时，采样频率由霍尔传感器外同步控制。

在本发明装置上对模型泵进行了外特性和内部流动测量试验。外特性的试验转速为1250rpm，流量在0~27m³/h范围内进行调节，内部流动在流量为25m³/h的工况下进行测量。

外特性试验结果如图5-7所示。由图可见，H-Q性能曲线呈下降趋势，在小流量处曲线平坦，有出现驼峰的趋势；N-Q性能曲线呈上升趋势，在大流量处仍然较陡，容易造成过载；h-Q性能曲线在流量为22.58 m³/h时，效率最高，约为69.51％，最高效率点未出现在设计流量下，而是偏向小流量方向。设计流量下模型泵的扬程为27.53 m，效率为68.36％，都比真实泵低。出现这种情况的原因与PIV测量用模型泵的特殊结构有关。虽然模型泵的性能不如真实泵，但是两者相差不大，对泵内部流场的研究没有显著影响。

按照图4布置模型泵、激光片光和CCD相机。在外同步模式下，叶片－蜗舌夹角锁定为30°，对远离蜗舌的叶轮流道内部进行PIV测量，拍摄到的原始图像如图8所示。图中箭头为片光入射方向，AB和CD为叶片表面反光形成的两条明亮的曲线，在这两条线附近计算得到的流场误差相对较大。BC为片光照亮区域与阴影区域的分界线，圆弧DE为叶轮的外缘。ABCDE所围区域为所研究的叶轮内部流道，该区域中的亮点为拍摄到的示踪粒子。叶轮流道内部流动试验结果如图9所示。

按照图4布置模型泵、激光片光和CCD相机。取压水室中截面作为测量平面，测量蜗舌附近压水室内部流动，图10为内同步模式下PIV测量得到的速度矢量图。图中线段AB表示该区域压水室壁面，其左侧为无效矢量；虚线段CD表示压水室的进口，其右侧的无效矢量已删除；箭头表示片光入射方向，因蜗壳外壁加强螺钉遮挡片光，沿箭头方向部分速度矢量缺失。

布置模型泵、激光片光和CCD相机。在内同步模式下对吸水室内部流动进行PIV测量，吸水室内部流动试验结果如图11所示。

Claims

1. 离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置，其特征是包括以下五个部分：水路系统、动力传动系统、模型泵、外特性数据采集系统、内部流动测量系统；动力传动系统驱动模型泵、模型泵与水路系统连接，外特性数据采集系统和内部流动测量系统均通过布置于动力传动系统、模型泵与水路系统进行测量；

动力传动系统，由电机（19）、联轴器（7）、传动轴（5）、轴承座（13）、轴承座支座（16）、扭矩转速传感器（17）、扭矩转速传感器支座（18）、电机支座（20）、变频器组成，电机（19）、联轴器（7）和传动轴（5）连接，传动轴（5）支于轴承座（13），扭矩转速传感器装于电机和传动轴之间，测量电机传递给泵传动轴的扭矩和转速；传动轴上安装的扭矩转速传感器为霍尔传感器，用于非定常流动测量时给出图像采集触发信号；电机为模型泵离心泵提供动力，通过变频器连接电机实现电机转速的调节；

内部流动测量系统包括同步控制器（30）、脉冲激光光源、激光器（31）、计算机（32）和CCD相机（33），由脉冲激光光源驱动激光器照射所测流场区域，通过同步控制器连接激光器和CCD相机同步工作，将计算机采集的两次曝光的PIV图像用互相关的方法进行处理，获得每一查询区中粒子图像的平均位移，由此确定流场的速度；在进行定常流动测量时，采样频率由计算机内同步控制；在进行非定常流动测量时，采样频率由霍尔传感器外同步控制。

2.根据权利要求1所述的离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置，其特征是水路系统包括水槽（21）、软管（3）、涡轮流量计（9）、软管、调节阀（6）模型泵（12）球阀（15）、管道组成并依次连接，水槽（21）上设有排水口（22），在水槽内安装稳流栅，模型泵进出口均采用软管进行连接；离心泵进口前等径直管段长度不小于12倍管径，涡轮流量计的上游侧留有不小于20倍管径长度的直管段，涡轮流量计的下游侧留有不小于5倍管径长度的直管段，保证测量的精度；水槽底部坡度为5：1000；模型泵的安装位置低于水槽内液面，泵启动时无需灌泵。

3.根据权利要求1所述的离心泵外特性和内部流动测量多功能试验装置，其特征是模型泵包括蜗壳（23）、叶轮（24）、吸水室（25）、进排水口（26）、排气口（27）、光学补偿盒（28）、蜗壳和泵后盖板（29），叶轮（24）装在蜗壳（23）内、吸水室（25）连通蜗壳、进排水口（26）和排气口（27）装在吸水室（25）上，光学补偿盒（28）装在蜗壳的前部、蜗壳后部装泵后盖板，光学补偿盒采用透光性好的有机玻璃加工；蜗壳与泵后盖板之间采用硅胶垫进行密封；蜗壳采用矩形截面蜗壳，叶轮的叶片采用进出口等宽的二维叶片，叶轮采用半开式结构。