鄒俊杰，潘強(qiáng)，張德勝

(1. 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院， 江蘇 南通 226010; 2. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江212013)

混流泵同時具有軸流泵流量大與離心泵揚(yáng)程高的特點(diǎn)，其工作高效區(qū)較寬，在農(nóng)業(yè)灌溉與市政給排水以及南水北調(diào)工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.混流泵瞬態(tài)啟動特性十分復(fù)雜，其加速運(yùn)行時不僅會帶來流量和揚(yáng)程的無規(guī)律變化，例如泵運(yùn)行于啟動加速工況時，其流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程等外特性運(yùn)行參數(shù)曲線都會發(fā)生有規(guī)律或無規(guī)律的變化，流場甚至產(chǎn)生從層流到轉(zhuǎn)捩甚至湍流等流動狀態(tài)的改變，引發(fā)泵內(nèi)產(chǎn)生交互作用的葉道渦、葉頂泄漏渦等多種流動結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時還會誘導(dǎo)局部空化，威脅泵系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性.

近年來，混流泵瞬態(tài)啟動特性研究逐漸得到國內(nèi)外學(xué)者的重視.混流泵啟動空化與水力特性、流態(tài)、渦態(tài)變化等因素有關(guān)[1]，啟動初期外特性主要受加速項影響，后期流動慣性的影響占主導(dǎo)，線性啟動的沖擊特性隨著啟動時間的增加而逐漸減弱，指數(shù)啟動的沖擊現(xiàn)象主要體現(xiàn)在啟動初始時刻，且啟動時間越短，啟動瞬間空化激振就越大.謝昀彤[2]采用大渦模擬方法揭示了混流泵內(nèi)部瞬態(tài)流場特征，包括速度場、壓力場和渦量場的演變規(guī)律.大流量泵葉輪內(nèi)流體能量增長方式不同，對泵水力特性的影響也有差異.采用不同方法，如總體歐拉揚(yáng)程分布、S1流面歐拉揚(yáng)程分布以及展向歐拉揚(yáng)程分布，研究不同幾何參數(shù)對大流量泵水力性能及非定常徑向力的影響時，不同含氣率對混流泵葉輪內(nèi)部運(yùn)行過程中的流態(tài)及壓力狀態(tài)的影響也不一樣.文獻(xiàn)[3-6]通過混流泵啟動性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混流泵進(jìn)口壓力低于臨界汽蝕壓力時出現(xiàn)空化，空泡團(tuán)運(yùn)動發(fā)展后造成泵流量和揚(yáng)程徒降，而空化產(chǎn)生前的混流泵性能與無空化啟動條件下的性能一致.周強(qiáng)等[7]結(jié)合SST湍流模型和Zwart空化模型預(yù)測了混流泵加速流空化特性，將空化分為無空泡、空泡增長、空泡減少和空泡穩(wěn)定4個階段.李偉等[8-12]分析了混流泵啟動過程中進(jìn)口回流的形態(tài)及其產(chǎn)生原因，并將流量和揚(yáng)程曲線分為緩慢上升、快速上升和趨于穩(wěn)定3個階段，解釋了混流泵加速末期裝置獲得瞬時沖擊揚(yáng)程的物理過程，并探討了混流泵啟動過程轉(zhuǎn)子軸心軌跡對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響.王樂勤等[13]基于混流泵內(nèi)特性建立了泵瞬態(tài)水力特性數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了該模型在預(yù)測泵開機(jī)時的瞬態(tài)水力特性的正確性.顧琦[14]對不同葉片數(shù)下混流泵的加速流特性和混流泵啟動過程中的瞬態(tài)空化特性進(jìn)行研究，分析了類似三角形的空泡云及其動態(tài)變化特征.WU等[15-16]通過試驗(yàn)研究了離心泵啟動時的瞬態(tài)空化特性，認(rèn)為瞬態(tài)加速過程對空化有一定的抑制作用.此外，無論在混流泵、軸流泵還是貫流泵中，葉頂間隙產(chǎn)生的泄漏流對泵的啟動性能具有一定影響[17]，泄漏流與主流相互干涉并形成卷吸，導(dǎo)致葉頂泄漏渦的出現(xiàn)，而旋渦中心的壓力較低，這很可能導(dǎo)致空化提前出現(xiàn)[18-19].結(jié)合數(shù)值模擬方法、高速攝影和PIV試驗(yàn)技術(shù)[20-22]，學(xué)者發(fā)現(xiàn)軸流泵葉輪內(nèi)的空化結(jié)構(gòu)，包括葉片表面的片狀空化、云狀空化，以及葉頂間隙空化和泄漏渦空化，為解釋空化的產(chǎn)生、發(fā)展和演變奠定了基礎(chǔ).

文中通過搭建混流模型泵瞬態(tài)啟動特性及空化流場可視化試驗(yàn)平臺，結(jié)合外特性測量和高速攝影對泵啟動特性及泵內(nèi)流場空化形態(tài)進(jìn)行記錄，分析混流泵在不同啟動條件下的瞬態(tài)流場空化特性，研究混流泵啟動過程特別是啟動初始階段泵內(nèi)流場特性及空化發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而揭示混流泵瞬態(tài)啟動過程中的空化特性.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用Φ250 mm混流泵模型，利用江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)平臺進(jìn)行啟動外特性試驗(yàn)及空化流場高速攝影，試驗(yàn)平臺系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)平臺系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Sketch of test system

混流泵模型參數(shù)分別為進(jìn)口直徑D0=90 mm，葉輪葉片數(shù)Z=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=5，葉頂間隙tc= 0.25 mm，設(shè)計流量Qd=126 L/s，設(shè)計揚(yáng)程H= 2.99 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=829.混流泵葉輪和導(dǎo)葉采用不銹鋼材質(zhì)，為保證攝影效果，整個轉(zhuǎn)輪室采用有機(jī)玻璃制造，如圖2所示.

圖2 Φ250 mm混流泵模型

試驗(yàn)測量儀器主要包括壓力變送器、渦輪流量計、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，通過江蘇大學(xué)自主研發(fā)的泵參數(shù)測量儀(見圖3)采集各數(shù)據(jù).

圖3 泵參數(shù)采集儀

在不同啟動條件下，采用高速攝影記錄混流泵啟動過程中空化初生及空泡團(tuán)形態(tài)演變.試驗(yàn)采用美國IDT公司生產(chǎn)的Y-Series 4L高速攝影機(jī)，拍攝速率可達(dá)25.6萬幀/s，且能保證最小像素點(diǎn)為14 μm×14 μm的拍攝精度.試驗(yàn)時，考慮到葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中光線不足以及不易聚焦，在轉(zhuǎn)輪室兩側(cè)分別配置補(bǔ)光燈，如圖4所示.

圖4 高速攝影裝置

1.2 試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀在試驗(yàn)前需調(diào)零.在泵進(jìn)口、出口的閥門完全開啟的情況下啟動混流泵，泵的轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)至1 450 r/min的額定轉(zhuǎn)速，通過控制出口閥的開度使泵的流量達(dá)到試驗(yàn)工況點(diǎn)，標(biāo)記變頻器頻率，并將該值設(shè)定為混流泵加速啟動的最終頻率，混流泵啟動時間由變頻器加速時間決定.

工作介質(zhì)為常溫狀態(tài)下的清水.為了在混流泵啟動過程中記錄空化流場特性，首先開啟增壓泵和混流泵，使循環(huán)水在管路系統(tǒng)中運(yùn)行約30 min，逐步排出管道內(nèi)空氣.隨后關(guān)閉循環(huán)水箱頂部的通氣閥門，開啟與真空泵相連接的閥門，打開真空泵不斷抽出循環(huán)水箱內(nèi)的空氣，在水箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使得混流泵進(jìn)口壓力低于大氣壓.間斷開關(guān)真空泵，直到泵進(jìn)口測壓計讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)壓力值.

試驗(yàn)過程中，混流泵揚(yáng)程、軸功率和效率的計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無空化啟動時混流泵的瞬態(tài)性能

混流泵無空化啟動時，循環(huán)水箱接通大氣，真空泵未工作，葉輪進(jìn)口壓力高于大氣壓.

2.1.1 不同啟動時間下混流泵外特性

根據(jù)混流泵啟動過程中所采集的外特性數(shù)據(jù)，圖5給出了額定流量工況下，啟動時間Ts分別為10.0，15.0，20.0 s時，混流泵轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程以及流量相對于時間的變化曲線.

圖5 不同啟動時間下混流泵的外特性曲線

由圖5可以看出，在不同啟動時間下，混流泵流量相對于轉(zhuǎn)速變化的跟隨性較好，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計轉(zhuǎn)速時，流量和揚(yáng)程也達(dá)到最大值.混流泵的瞬態(tài)揚(yáng)程在啟動初期存在延遲，其原因在于，啟動初期泵的轉(zhuǎn)速較低，葉輪對介質(zhì)的做功能力小，局部液流獲得的壓能少，且從葉輪泵腔到測壓點(diǎn)的沿程及局部水力損失作用明顯，葉輪難以產(chǎn)生克服損失的揚(yáng)程，導(dǎo)致啟動初期瞬態(tài)揚(yáng)程測量值為0.

當(dāng)啟動時間Ts=10.0 s時，揚(yáng)程滯后時間約為5.0 s.隨著啟動時間增加至15.0 s，揚(yáng)程滯后時間延長約2.5 s，而當(dāng)啟動時間增加至20.0 s時，揚(yáng)程曲線的滯后時間又延長了約2.5 s.在額定流量工況下，混流泵啟動揚(yáng)程滯后時間約為啟動時間的50%，其原因在于，啟動時間越長，泵葉輪的轉(zhuǎn)速加速度越小，葉輪對液流的作功能力越小，導(dǎo)致?lián)P程滯后性明顯.圖5a，5b顯示流量曲線位于轉(zhuǎn)速曲線的下方或者與之重合，而圖5c中，流量曲線則位于轉(zhuǎn)速曲線之上，即啟動時間越長，流量增大梯度會明顯大于泵軸轉(zhuǎn)速加速度，揚(yáng)程變化曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)的滯后時間相對較長.此外，在混流泵達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并保持流量工況不變時，其揚(yáng)程、流量以及轉(zhuǎn)速的變化趨勢相似，且在穩(wěn)定狀態(tài)下各參數(shù)的對應(yīng)數(shù)值也相等.因此，混流泵穩(wěn)態(tài)性能不受啟動時間影響.

2.1.2 不同啟動流量下混流泵外特性

圖6為啟動時間Ts= 20.0 s時，不同流量工況下混流泵的流量、轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程關(guān)系曲線.

圖6 不同流量工況下混流泵的啟動外特性曲線

由圖6可以看出，混流泵的流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速均同時達(dá)到峰值，與2.1.1節(jié)結(jié)果一致.在不同流量工況下，混流泵啟動揚(yáng)程存在滯后性，且延遲時間與流量大小有關(guān)，1.2Qd工況相對于1.0Qd工況的啟動揚(yáng)程滯后了約2.0 s，相對于0.8Qd工況則滯后了約8.0 s.小流量工況啟動時，泵揚(yáng)程相對于泵轉(zhuǎn)速增加的同步性更好，這是由于大流量工況啟動導(dǎo)致混流泵較高的流量增長速率，且高于小流量工況啟動，使得葉輪泵腔到測壓點(diǎn)的沿程損失和局部損失影響更大.大流量工況啟動下的流量隨時間的增加梯度明顯高于小流量工況，此外，混流泵在大流量工況啟動時，轉(zhuǎn)速變化曲線在流量變化曲線下方，即泵流量的變化速率大于泵轉(zhuǎn)速的變化速率，單位體積液流獲得的能量減少，而需克服的損失和阻力增加，使揚(yáng)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的延后時間增大.

2.2 空化啟動時混流泵的空化形態(tài)及演變

空化啟動時，循環(huán)水箱封閉，真空泵工作，葉輪進(jìn)口壓力為負(fù)壓，且可通過真空泵調(diào)節(jié).

2.2.1 不同啟動時間下混流泵的空化性能

圖7給出了額定流量工況且進(jìn)口壓力70 kPa下，分別采用啟動時間Ts=10.0，15.0，20.0 s時，泵內(nèi)部流場空化狀態(tài)發(fā)展過程的高速攝影結(jié)果.每個啟動時間取4個時刻拍攝，對應(yīng)0.3，0.6，0.8和1.0倍的啟動時間，即對應(yīng)時刻下的轉(zhuǎn)速一致.

由圖7a可以看出，啟動時間Ts=10.0 s時，泵在啟動初期(t<6.0 s)內(nèi)流場沒有空化產(chǎn)生，其原因主要是啟動初期泵內(nèi)沒有產(chǎn)生較大的壓力梯度，泵內(nèi)流場壓力穩(wěn)定且分布基本均勻.隨著啟動過程的推進(jìn)，在t=8.0，10.0 s時刻，葉頂間隙處產(chǎn)生空化并逐漸發(fā)展，這是由于轉(zhuǎn)速增大，泵內(nèi)流場主流速度增大，且在葉輪壓力面與葉背之間產(chǎn)生更高的壓力梯度，誘導(dǎo)葉頂間隙區(qū)產(chǎn)生壓力面流向葉背的泄漏流，主流與泄漏流的流向不一致，相互卷吸形成泄漏渦.由于渦心壓力較低，泄漏渦局部壓力低于飽和蒸汽壓時產(chǎn)生空化，并逐漸演變成大面積的空泡云.

由圖7b，7c可以看出，空化規(guī)律與圖7a相似，但空化發(fā)展更快，面積更大，從輪緣擴(kuò)大到了流道.由此可見，延長混流泵啟動時間會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的空化.此外，隨著啟動時間的增大，空泡云沿葉輪周向逐漸呈現(xiàn)“長條狀”，這是由于當(dāng)啟動時間增大時，達(dá)到相同轉(zhuǎn)速下葉片葉尖劃過的圓周方向長度增大，導(dǎo)致空泡云沿圓周方向拉長.結(jié)合圖5進(jìn)一步分析可知，啟動時間增加造成流量變化率高于轉(zhuǎn)速變化率，葉輪對單位質(zhì)量流體做功減弱，介質(zhì)獲得的壓能降低，使空化發(fā)展更為迅速.這一現(xiàn)象對于長期處于頻繁啟動條件下的混流泵具有指導(dǎo)意義，在實(shí)際操作、運(yùn)行和管理過程中，盡可能選用較小的啟動時間，從而改善混流泵啟動時的空化性能.

2.2.2 不同進(jìn)口壓力下混流泵的啟動空化性能

圖8為額定流量工況下，啟動時間Ts=10.0 s，不同進(jìn)口壓力時泵內(nèi)部流場空化形態(tài)及演變，其中每個進(jìn)口壓力下取4個時刻進(jìn)行拍攝.

圖8 不同進(jìn)口壓力下泵啟動的空化現(xiàn)象

由圖8可以看出，在t=6.0 s時刻，葉頂間隙處最先發(fā)生空化現(xiàn)象，且隨著啟動過程的推進(jìn)，空化程度逐漸加劇，空泡團(tuán)發(fā)展并增大.

當(dāng)進(jìn)口壓力為40 kPa時，空泡團(tuán)發(fā)展明顯快于進(jìn)口壓力較高時，空泡面積由葉輪輪緣蔓延至流道，并逐漸對流道產(chǎn)生部分堵塞，可以看到明顯的“三角狀”空泡云.這與圖7中“長條狀”空泡云不同.啟動時間Ts=10.0 s時，空化現(xiàn)象已經(jīng)較為嚴(yán)重，并嚴(yán)重影響混流泵的各種運(yùn)行性能.

此外，對比混流泵在相同時間點(diǎn)、不同進(jìn)口壓力下的空化發(fā)展情況可知，空化速度及發(fā)展程度受進(jìn)口啟動壓力的影響，啟動壓力小使得混流泵的有效汽蝕余量相應(yīng)降低，促使泵內(nèi)流場空化提前，空化面積增加，程度加劇.在實(shí)際操作、運(yùn)行與管理過程中，盡可能提高混流泵的進(jìn)口啟動壓力，可減小啟動過程空化現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展.

2.2.3 不同流量工況下混流泵啟動空化性能

圖9為混流泵啟動時間Ts=20.0 s，進(jìn)口壓力p=40 kPa時，不同流量工況下4個時刻泵內(nèi)空化流場特征.可以看出，混流泵在不同啟動流量工況下，其內(nèi)部均是在葉頂間隙處最先發(fā)生空化，并隨啟動時間推進(jìn)而逐漸發(fā)展到流道.

在不同流量工況下，均觀測到“三角狀”空泡云，以不同啟動流量下的最后一張空化流場為例，空泡三角形沿液流方向的投影長度隨著流量的減小而縮短，說明空泡云的發(fā)展和傳播受到了主流方向及主流速度的影響.

結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混流泵在大流量工況下啟動時，泵的瞬態(tài)流量一直保持較大值，即大流量工況下啟動使得泵主流軸向速度相對較大，促進(jìn)了空化沿主流方向傳播.

此外，通過對比不同啟動流量、相同拍攝時刻下的空化流場可知，相較于小流量工況，大流量工況啟動下混流泵內(nèi)部空化流場發(fā)展更快，面積更大，空化相對嚴(yán)重.究其原因在于，啟動流量較大時，流量增大速率大于葉輪轉(zhuǎn)速變化率，葉輪對單位質(zhì)量液流的做功減弱，介質(zhì)獲得的壓能降低.同時，大流量工況下液流的流速較大，壓力較低，導(dǎo)致空化發(fā)展更為嚴(yán)重.

綜上所述，在混流泵的操作、運(yùn)行與管理中，應(yīng)該盡量避開混流泵在大流量工況下啟動，以改善啟動過程中的空化性能.

圖9 不同流量工況下泵的啟動空化現(xiàn)象

3 結(jié) 論

通過搭建混流泵瞬態(tài)啟動試驗(yàn)臺，結(jié)合泵外特性試驗(yàn)和高速攝影技術(shù)，研究了混流泵瞬態(tài)啟動時性能及誘導(dǎo)的空化流形態(tài)演變，得到如下結(jié)論：

1) 在不同啟動時間和啟動流量下，混流泵流量和揚(yáng)程相對于轉(zhuǎn)速同時達(dá)到穩(wěn)態(tài)峰值，三者具有較好的同步性，啟動條件對混流泵達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的性能沒有影響.

2) 混流泵揚(yáng)程在啟動初始階段相對于流量和轉(zhuǎn)速具有滯后性.在額定流量工況下，隨著啟動時間的變化，混流泵啟動揚(yáng)程滯后時間約為啟動時間的50%.當(dāng)啟動時間相同時，降低啟動流量可緩解泵揚(yáng)程變化的滯后性.

3) 瞬態(tài)啟動時，混流泵葉頂間隙處最先產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并逐漸發(fā)展到流道.隨著啟動時間的延長，達(dá)到相同轉(zhuǎn)速下葉片葉尖劃過的圓周方向長度增大，空泡云形狀為“長條狀”.相同啟動時間下，減小進(jìn)口壓力或增大流量，空泡云沿液流軸向生長的速度增大，呈現(xiàn)出“三角狀”.

4) 縮短啟動時間、增加泵進(jìn)口啟動壓力和減小啟動流量可有效抑制混流泵啟動空化.對于頻繁啟動的混流泵，在負(fù)載條許允許的情況下，可采用上述3種方式改善啟動空化性能，確?；炝鞅脝舆^程的平穩(wěn)性.