朱圣良 袁春燕 莊 明 陸小飛 劉曉東

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著低溫工質(zhì)如液氧、液氮、液氦等在工業(yè)及科研中的應用日益廣泛，用于其輸運的低溫液體泵的應用也越多。低溫液體泵泵送工質(zhì)溫度極低，為保證輸運的安全性和經(jīng)濟性，要求低溫液體泵具有高效率、低漏熱、高可靠性等特點。在諸多超導體強迫對流冷卻應用場合如高溫超導電纜、大型超導磁體冷卻等應用中，由于冷卻對象熱負荷不大，而其長度方向較長，其對低溫液體泵的需求為高揚程而小流量，如果此時泵采用常規(guī)電機驅(qū)動，那么泵此時對應的比轉速較小，此時離心泵效率較低?？紤]到部分流泵在低比轉速下效率較高、軸承選擇要求較低、加工容易的特點［1］，參考 Barber－Nichols 公司為 EAST 提供的超臨界氦循環(huán)泵實體模型，設計并制造了一臺部分流式液氮泵，在設計中，為了減少泵體漏熱，采用了延伸軸長設計，同時為減少環(huán)境溫度與低溫環(huán)境輻射換熱，沿軸長方向設置了多塊防輻射屏。泵的設計過程及模擬分析詳見文獻［2］。液氮泵的設計參數(shù)、主要結構尺寸如表1、表2所示，泵的組裝后如圖1所示。

表1 液氮泵設計參數(shù)Table 1 Design parameters of liquid nitrogen pump

表2 泵結構尺寸Table 2 Dimensions of pump housings

圖1 液氮泵組裝圖Fig.1 Photo of test pump

2 測試平臺

低溫液體泵的實際性能需要通過實驗實測得到。為完成相關測試，搭建了一套測試平臺，通過相關的測試實驗測定泵的水力特性，包括不同轉速下流量揚程特性，流量效率特性等。參考歐洲核子中心CERN的ATLAS磁體所用液氦泵測試系統(tǒng)［3］，設計的泵測試平臺流程如圖2所示。

圖2 低溫液體泵測試平臺流程Fig.2 Schematic diagram of pump test apparatus

測試平臺中，容器1、2通過發(fā)泡材料包裹，低溫管道、閥門等也都外包了絕熱材料以減少漏熱。泵豎直安裝在容器1上，實驗時泵啟動后從容器1中抽出液氮，通過管道、閥門及相關測量儀器進入更高的容器2中，液體由于重力差從容器2中經(jīng)過可調(diào)節(jié)流量的閥門返回容器1，完成整個循環(huán)過程。

泵由變頻電機驅(qū)動，泵轉速通過變頻器調(diào)節(jié)，變頻器調(diào)節(jié)頻率20 Hz—110 Hz對應泵轉速1 200—6 600 r/min。測試過程中，改變泵運行轉速，測定泵在不同轉速下不同流量情況下泵的性能參數(shù)，得到泵的完整特性表現(xiàn)。

試驗中，流量計為GPI產(chǎn)渦輪流量計，準確度為±0.5%;壓力測量采用電容式壓力變送器，準確度為±0.075%，溫度計采用鉑電阻溫度計Pt100。

3 測試結果

3.1 揚程特性

向容器1中灌注液氮，調(diào)整液氮液位，當液位高于葉輪0.2 m時，泵能順利啟動。通過調(diào)節(jié)出口閥和電機轉速，完成了液氮測試實驗，實驗的測得的流量－揚程特性曲線如圖3所示，實驗與預測揚程對比如圖4。

圖3 泵流量-揚程特性曲線Fig.3 Head rise vise flow rate of pump at different speeds

圖4 實驗與預測揚程對比Fig.4 Test and predicted head rise of pump

從測得的泵流量揚程特性曲線來看，泵在小轉速時揚程與數(shù)值計算值較為吻合，同時泵的流量范圍內(nèi)的揚程變化很小，與預測值及部分流泵理論分析［4］一致;但當泵的轉速提高至3 600 r/min以上后，泵的實測揚程要遠低于預測值，且泵的揚程隨流量增大衰減明顯，同時也觀察到泵工作產(chǎn)生的的噪聲隨轉速提高增大明顯的現(xiàn)象。試驗中也發(fā)現(xiàn)，當液位超過葉輪0.15 m以上泵才能順利啟動，在液位較低時，泵的出口為氮氣或不穩(wěn)定的氣液混合物。以上信息表明，在轉速較高的測試試驗過程中，泵內(nèi)產(chǎn)生了嚴重氣蝕過程，該過程急劇的抑制泵的性能并使泵產(chǎn)生較大的噪聲和振動。

為評價泵的氣蝕特性，并甄別泵在高轉速下?lián)P程偏離設計值的真實原因，通過提高泵的空化系數(shù)以排除泵內(nèi)氣蝕現(xiàn)象，考察泵在無氣蝕狀況下運行情況。由空化系數(shù)定義:

式中:Pin為入口壓力，Pv為工質(zhì)入口條件下的汽化壓力，H為泵的理論揚程。

由式(1)可知，在高轉速下提高泵的空化系數(shù)最有效的方法是提高泵入口壓力或降低工質(zhì)汽化壓力，考慮到現(xiàn)有實驗條件中提高泵入口壓力實現(xiàn)較為困難，更換泵送工質(zhì)以提高汽化壓力的方法將被采用。替代工質(zhì)選擇常溫水，300 K下水的汽化壓力約為3 500 Pa，相比液氮在101.325 kPa左右的入口壓力下，該泵采用水工質(zhì)后的空化系數(shù)將大幅提高，從而避免泵內(nèi)發(fā)生氣蝕。

為此，以水為工質(zhì)在液氮泵測試平臺中進行相應的測試實驗，在實驗中，重復液氮測試實驗內(nèi)容，得到水測試實驗的結果如圖5所示。在實驗中也觀察到，水試驗產(chǎn)生的噪音要小于液氮實驗，在高轉速下差別更為明顯，這也表明液氮試驗中巨大噪聲是由氣蝕引起。

圖5 泵水試驗流量揚程特性Fig.5 Characteristic curves of water test for pump

圖6為水測試實驗得到的揚程特性與水的數(shù)值模擬得到的揚程特性對比，從圖中可以觀察到測試實驗值均低于數(shù)值模擬值?？紤]到實際運行中，異步變頻電機存在一定轉差率，即泵運轉頻率要略低于變頻器輸出頻率，普通變頻電機轉差率約為1%—6%，采用4%的轉差率修正揚程測試值，反映在圖6中，從圖中可以看出，兩者間的差距有一定縮小，最大誤差在10%以內(nèi)。

圖6 水試驗與模擬值比較Fig.6 Test and predicted head rise of water test for pump

3.2 氣蝕特性

氣蝕現(xiàn)象是流動液體內(nèi)氣泡的迅速產(chǎn)生并潰滅的現(xiàn)象，空泡潰滅時，液體將產(chǎn)生沖擊速度很高的微射流，對葉輪材料有較大沖擊破壞，并減弱泵的效率和做功能力，引起振動、產(chǎn)生巨大噪音。在液氮實驗中，泵的入口壓力相對液氮飽和壓力只有約0.2 m的壓頭，因此進入泵內(nèi)的液氮極易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，該過程將破壞泵內(nèi)液體流動的連續(xù)性，影響流道內(nèi)速度分布，導致泵的揚程的下降［5］。在試驗中，在高轉速的大流量區(qū)域，泵的揚程下降明顯，這與氣蝕加劇有關，當泵的轉速和流量增加時，液氮進入泵內(nèi)的損失增加，泵內(nèi)產(chǎn)生的負壓增長迅速，因此氣蝕也越嚴重，致使泵揚程嚴重偏離設計值［6］。

由于低溫液體泵工作的空化系數(shù)通常較低，在運行中氣蝕也是常見的現(xiàn)象，為此需要實測給出泵的氣蝕特性。由于在試驗中引入了兩種工作介質(zhì)，并且測試實驗中泵的運行在多個工作轉速下，無量綱參數(shù)將被引入以評價泵的氣蝕特性。引入的無量綱參數(shù)包括空化系數(shù)σ，流量系數(shù)φ及壓力系數(shù)ψ，其中流量系數(shù)及壓力系數(shù)的定義為:

式中:qv為體積流量;D為葉輪直徑;H為實際揚程;n為泵轉速。

圖7 泵無量綱空化特性Fig.7 Non-demensional cavitation characteristic of pump

通過實驗完成的氣蝕特性曲線如圖7所示。從圖中可以看出，泵在空化數(shù)大于0.1時，泵不同流量系數(shù)下的壓力系數(shù)變化不大，空化數(shù)小于0.012 6時，泵的壓力系數(shù)衰減迅速，這說明此時空化已經(jīng)比較嚴重，影響了泵的揚程表現(xiàn)。根據(jù)相似性準則，可以認為當空化系數(shù)大于0.012 6時，泵不產(chǎn)生氣蝕或產(chǎn)生的氣蝕對泵揚程影響不大。因此，為滿足泵內(nèi)不發(fā)生氣蝕的要求，低溫液體泵泵送77.4 K液氮時，其入口壓力應大于0.109 MPa，或者泵送工質(zhì)應為101.325 kPa壓力下，溫度低于76.6 K的過冷液氮。另外從圖中也可以看出，不同流量系數(shù)下，壓力系數(shù)變化不大，這也反映了部分流泵揚程與流量變化關系不大的特性。

4 結語

實測了設計加工的長軸式部分流低溫液氮泵的揚程、氣蝕特性，實驗發(fā)現(xiàn)在空化系數(shù)較大，泵內(nèi)無空化時，泵的揚程與預測值相符，泵在6 600 r/min時能達到71 m的揚程;當空化數(shù)小于0.012 6時，泵內(nèi)氣蝕開始影響泵的揚程特性，使其偏離設計值，同時氣蝕將使泵發(fā)生較大的噪聲和振動。針對氣蝕現(xiàn)象，提出了相應的運行建議以改善氣蝕帶來的影響。

另外由于泵耗功尚未能準確測量，因此相關的泵效率特性將有待進一步完成。

1 張小偉，白紅宇.部分流超臨界氦循環(huán)泵特性分析［J］.低溫工程，2005，146(4):24－28.

2 朱圣良，袁春燕，莊 明，等.低溫液體泵設計及模擬分析［C］.第十屆全國低溫工程大會，蘭州，2011.

3 Pengo R，Junker S，Passardi G，et al.Test results of a 1.2kg/s centrifugal liquid helium pump for the ATLAS superconducting Toroid Magnet System ［C］.19th International Cryogenic Engineering Conference(ICEC19).Grenoble，F(xiàn)rance:2002.71－74.

4 沈陽水泵研究所，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.葉片泵設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1983.326－327.

5 Cristina Bramanti.Experimental study of cavitation and flow instabilities in space rocket turbopumps and hydrofoils［D］.Pisa，Italy:Ph.D.Dissertation of University of Pisa.2006.20－30.

6 蔡兆麟.能源與動力裝置基礎［M］.北京:中國電力出版社，2004.85－90.