如何控制礦用臥式多級離心泵不穩定特性及試驗研究

如何控制礦用臥式多級離心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并分析其影響因素，從而來指導低比轉速高速誘導輪離心泵的設計，使高速礦用臥式多級離心泵的揚程流量特性線H~Q不存在正斜率上升段，即高速離心泵具有很好的小流量工作穩定性。下面簡要闡述流線曲率和旋轉對邊界層穩定性的影響。

 礦用臥式多級離心泵產生不穩定現象的機理

產生小流量不穩定現象的原因主要是誘導輪進口前緣外徑處產生的回旋流、離心輪進口的回流、葉輪流道里的二次流、葉輪流道內的尾跡-射流結構與流動分離、以及葉輪與蝸殼聯合工作時出現的葉輪出口二次流等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的流場分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區的揚程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線出現正斜率上升段，從而使礦用臥式多級離心泵在小流量工況下產生不穩定現象。下面就對這幾種不穩定因素的產生機理進行闡述。

1.進口回流產生的機理

關于葉輪進口回流產生的機理國內外許多學者作了研究。Stepanoff是較早對離心泵葉輪進口回流機理進行研究的學者之一，他認為液體流動是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進口周圍的圓周速度增加，因此管壁附近的能量增加，這使得維持液體沿流線流動所必須的能量坡度不在存在，因此就在葉輪進口附近的液流發生倒流。Fraser認為離心揚程對于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動揚程是流量的函數，在揚程流量曲線上某些點，動揚程一旦超過離心揚程，那么在這些點壓力梯度反向，導致了流動方向相反，即產生回流現象。文獻3從理論和實驗兩方面分析了低比轉速離心泵葉輪進口回流產生的機理，認為旋轉速度分量是葉輪進口回流產生的主要原因，并指出回流是導致小流量不穩定現象的主要原因。

由于設計人員在設計低比轉速高速誘導輪離心泵時往往采用正沖角方法，即為了保證誘導輪產生的揚程能夠滿足離心輪進口的能量要求，取誘導輪葉片進口角大于液流角，同時為使離心輪獲得較好的汽蝕性能，也取其葉片進口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率，在設計超低比轉速高速誘導輪離心泵時普遍采用加大流量設計，這就使運行工況下的實際液流角小于設計工況下的液流角，這樣就使誘導輪和離心輪進口前緣都具有不均勻的圓周速度分量，從而產生繞流線的旋渦。因此誘導輪和離心輪的進口回流實際上也就是由于旋轉葉片邊緣處的液流圓周分速不均勻引起的，是包含垂直于軸面的旋渦和繞流線旋渦的回漩流。

2.礦用臥式多級離心泵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。

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。

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