試驗系統夾氣對離心泵性能測量的影響分析

劉成勝，王曉鋒，趙艷麗，張 凱

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

離心泵在進行試驗之前，先要對試驗系統進行蓄水和排氣，如果試驗系統中含有氣體，輕則引起試驗系統的振動，重則將引起氣堵或系統破壞，因此研究試驗系統夾氣(即含少量氣體)對離心泵性能測量的影響很有必要。

1 離心泵性能分析

泵水力試驗系統按照GB/T 3216-2016《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級、2級和3級》建設，試驗系統的出入口工藝管路直徑與離心泵的出入口直徑相同，壓力測點位置距離泵出入口法蘭端面2倍DN。本文不考慮測點位置、出入口直徑小偏差對離心泵測量參數的影響。

1．1 揚程

由伯努利方程知，離心泵揚程由下式求得：

(1)

式中:pe為離心泵出口壓力(絕壓)，Pa；pi為離心泵入口壓力(絕壓)，Pa；Z2為離心泵出口壓力傳感器位置高度，m；Z1為離心泵入口壓力傳感器位置高度，m；υ2為離心泵出口測壓點處管道介質流速，m /s；υ1為離心泵入口測壓點處管道介質流速，m /s；g為重力加速度，m /s2；ρ為流體介質密度，kg/m3。

從式(1)可以看出，離心泵的揚程與泵特性、流經離心泵的介質體積流量和測壓傳感器的位置高度有關，與輸送介質無關，即對于某臺特定的離心泵來說，無論輸送什么介質，經過相同體積流量時揚程相同。如果用壓力表示離心泵的揚程時，即:

(2)

從式(2)可以看出，當離心泵的揚程用壓力表示時，除與輸送介質的密度有關外，還與泵特性、流經離心泵的介質體積流量、當地的重力加速度和出入口壓力傳感器測量基準面的位置有關。

1．2 效率

離心泵效率計算公式：

(3)

式中：Pe為離心泵的輸入功率，kW；Q為流經離心泵的體積流量，m3/s。

效率為無量綱量，與泵特性有關，根據相似準則，與介質無關，所以效率與介質的密度無關。

1．3 功率(輸入功率)

離心泵功率計算公式：

(4)

根據扭矩測功原理，從式(4)可以看出，單位體積的流體經過離心泵所做的功與離心泵特性、介質的密度和當地的重力加速度等有關。

1．4 汽蝕余量

離心泵的汽蝕余量計算公式：

(5)

式中pv為試驗溫度下液體介質的汽化壓力 ，Pa。

從式(5)可以看出，汽蝕余量與試驗地點的大氣壓有關，同時還與入口壓力、試驗介質在試驗溫度下的汽化壓力和流經離心泵的介質體積流量有關。

2 夾氣對離心泵性能測量的影響分析

假定水為不可壓縮流體，為了便于分析，定義如下變量：

2．1 夾氣對揚程測量的影響

離心泵的性能曲線一般是隨著流量的增大揚程降低，功率增大，效率先增加在額定流量點達到最高值然后隨著流量增大而降低。

2．2 夾氣對功率測量的影響

試驗系統夾氣時，水氣混輸，由于試驗過程中測量的M對應的流體密度為ρ混合，而ρ混合<ρ水，離心泵的輸出功降低，所以測量出的扭矩變小，由式(4)可以看出，離心泵的測量功率降低了。

2．3 夾氣對效率測量的影響

離心泵的效率理論上與密度無關。試驗系統夾氣時，水氣混輸，離心泵的測量功率降低，而數據處理時使用的密度是ρ水，而ρ水>ρ混合，由式(3)可以看出，離心泵的測量效率提高了。

2．4 夾氣對汽蝕余量測量的影響

試驗系統夾氣時，水氣混輸，會對離心泵的抗汽蝕性能產生影響，影響程度可按下面的公式估算：

(6)

式中：NPSH1為不含游離氣體時泵的汽蝕余量；δ為泵入口介質游離氣體相對含量。

試驗系統夾氣時，水氣混輸，在試驗溫度下，水汽化時的汽化壓力pv不變，但是當水中含有氣體，汽蝕試驗時隨著離心泵入口壓力的降低，氣體易于析出、膨脹和聚集，氣體占據部分過流通道，增加了液相的流動阻力，入口壓力沒有完全為水介質下降低那么多，但加速了泵出口壓力的降低，根據式(5)看出，測量的汽蝕余量大了。從式(6)和圖1可知，隨著含氣量的增大，測量的汽蝕余量增大。

圖1 流量為6 m3/h下不同含氣量 的汽蝕試驗曲線Fig.1 Cavitation test curves at different air content as Q=6 m3/h

3 試驗系統夾氣時流量計位置對測量結果的影響分析

3.1 流量計位于離心泵和調節閥之間

當離心泵入口流量為Q水+氣時，離心泵出口的流量變為Q水+氣′，流量計位于離心泵和調節閥之間時(圖2)，試驗測量得到的應該是H′-Q水+氣′，P-Q水+氣′，η-Q水+氣′曲線，對應關系成立。

圖2 流量計位于離心泵和調節閥之間的試驗系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of test system when flow meter is located between the centrifugal pump and regulating valve

3．2 流量計位于離心泵出口調節閥之后

當離心泵入口流量為Q水+氣時，離心泵出口的流量變為Q水+氣′，調節閥后的混合流體由于壓力降低氣體膨脹，流體的壓力接近離心泵入口的壓力，即流量計測量的泵流量接近泵入口的流量Q水+氣(圖3)。而試驗測量的揚程對應流量是Q水+氣′，實際上該得到的是HQ水+氣′-Q水+氣′的關系，而ρ混合<ρ水，數據處理時使用的密度為ρ水，由式(2)可以看出，測量的泵揚程H′提高了。由于測量的是Q水+氣′狀態下的功率，測量的功率偏小，由式(3)看出，測量得到的效率提高了。

圖3 流量計位于泵出口調節閥之后的試驗系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of test system when flow meter is located after regulating valve

4 試驗驗證

針對xx-xx型號離心泵試驗中(流量計位于調節閥后)，氣體未排凈造成了數據的偏差(見表1)，后將系統中氣體排凈后重復進行了試驗(見表2)。試驗數據曲線如圖4所示。

表1 夾氣試驗數據

表2 排氣后試驗數據

從圖4可以看出，夾氣試驗的結果與夾氣對試驗結果的影響分析一致，試驗系統夾氣時測量的揚程(用壓力表示的揚程)和效率性能參數高于未夾氣時的性能參數，而功率則降低了。

圖4 夾氣試驗與排氣后試驗數據圖Fig.4 Data graphs of gas entrapment test and after exhausting test

5 結論

經過以上分析，可以得出以下結論：

1)試驗系統夾氣會造成測量的離心泵揚程(用壓力表示的揚程)和效率提高，功率降低，汽蝕余量增大。

2)流量計位于離心泵和調節閥之間，試驗系統夾氣時，測量的揚程(用壓力表示的揚程)、效率和功率都接近未夾氣時的結果；當流量計位于調節閥之后，試驗系統夾氣時測量的離心泵揚程(用壓力表示的揚程)和效率都高于未夾氣時的結果，功率降低。

3)由于流量計位置對測量的離心泵性能有影響，所以在設計試驗系統時盡可能把流量計設置到離心泵和調節閥之間，而非離心泵出口調節閥之后。