如何控制卧式中开离心泵不稳定特性及试验研究

如何控制卧式中开离心泵不稳定特性及试验研究

本文由中开泵业整理。本文主要从设计角度出发，弄清这些小流量不稳定的形成机理并分析其影响因素，从而来指导低比转速高速诱导轮中开离心泵的设计，使高速卧式中开离心泵的扬程流量特性线H~Q不存在正斜率上升段，即高速中开离心泵具有很好的小流量工作稳定性。下面简要阐述流线曲率和旋转对边界层稳定性的影响。

卧式中开离心泵产生不稳定现象的机理

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，一方面影响了高速中开离心泵的流场分布，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离心水泵特性线出现正斜率上升段，从而使卧式中开离心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.进口回流产生的机理

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是较早对中开离心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中开离心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中开离心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，在设计超低比转速高速诱导轮中开离心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.卧式中开离心泵叶轮流道中的二次流与分层效应

现在的流场分析与流动测试研究已表明离心叶轮流道内的流动基本上是由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的射流区所组成，尾流区紧贴在叶轮的前盖板和非工作面上，尾流区愈宽，射流- 尾流之间的剪层愈薄，两者之间的速度梯度愈大，意味着射流- 尾流结构愈强，叶轮内的损失也就愈大。尾流的形成与发展是边界层的发展、二次流的发展、流动分离和分层效应等因素相互影响相互促进而形成的。

3.尾流-射流结构与流动分离
上面已经提及离心叶轮通道内的流动基本上是由相对较小的尾流区和近似于无粘的射流区组成，考虑到真实流体的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了边界层，在叶片曲率以及旋转的作用下，非工作面上的边界层由于二次流的影响越来越厚，有容易在某一小流量下发生失速现象，从而导致边界层分离。

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