海拔對離心泵吸入性能的影響研究論文
離心泵廣泛應用于各種油料的輸送，約占泵總量的70%~80%。在高原環(huán)境下，大氣壓力隨海拔的提升不斷降低，離心泵吸入口壓力相應減小，吸入能力下降影響泵正常工作，導致工作效率降低。定量分析離心泵在不同海拔下的工作性能及變化規(guī)律，應進行實地實驗，然而實地實驗受場地等因素限制，設備展開、調試及撤收等較為困難，難以實施。因此，本文利用海拔與大氣壓力之間的關系，采用模擬的方法對離心泵在不同海拔下的工作性能進行實驗研究。
1實驗裝置及方法
1.1實驗裝置
1.1.1泵
實驗中使用的泵主要是離心泵和真空泵。離心泵為非自吸式，由發(fā)動機驅動，為實驗研究對象；真空泵是水環(huán)式，由電動機驅動，用來對真空罐抽真空。
1.1.2含氣率測試儀
為準確快速地監(jiān)測、采集實驗數(shù)據(jù)，采用了含氣率測試儀。該測試儀基于電容探測法設計而成，其基本原理是在管路上布置電容器，電容值的大小與氣液混合物的介電常數(shù)以及探針與液體接觸的長度有關。當探針與被測流體接觸長度發(fā)生變化，其輸出電容值也發(fā)生變化，通過測量輸出的電容值可推算出混合物的比率。含氣率測試儀主要包括電容傳感器和電容電壓轉換電路兩大部分。電容傳感器的兩極由2根涂有聚四氟乙烯涂層的探針鋼絲制成。電容電壓轉換電路由兩部分組成：一是電容電壓轉換部分，采用CAV424芯片將電容轉化為標準電壓信號，可輸出1~4 V標準電壓；二是放大電路，采用AM401將前面的輸出信號放大，提高采集系統(tǒng)的分辨率。
1.1.3真空罐
真空罐是實驗中控制泵吸入口真空度的重要設備，由Q235-B型鋼焊接而成，高3 m，直徑1.35 m，容積4.3 m3，凈重1 584 kg，設計溫度0 ℃，設計壓力1.1 MPa，耐壓實驗壓力1.38 MPa，最高允許工作壓力1.05 MPa。罐身配備有真空表及液位計，真空表的測量范圍為0~0.09 MPa，測量精度0.001 MPa；液位計最高液位為3 m，精度0.1 m。
1.2實驗流程
離心泵進出口管線通過DN100鋼管與真空罐相連，形成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。實驗時，將管路及離心泵內充滿清水，真空罐內注入約3/4的清水，實測水溫32~34 ℃。首先利用真空泵對真空罐抽真空，通過蝶閥的開關控制真空管路與真空罐的互通，通過真空表的讀數(shù)來確定真空罐內的氣壓值，待真空罐內氣壓達到指定數(shù)值時，關閉蝶閥。通過控制真空度來模擬不同海拔下的.大氣壓力，實現(xiàn)離心泵吸入口壓力的調整，進而實現(xiàn)泵高原吸入性能模擬實驗。
1.3 實驗方法
地理學中將平均海拔超過1 000 m的廣袤地區(qū)稱為高原。機械設備通常將海拔2 500 m作為正常使用的分界點。為了能夠準確對比離心泵吸入性能的變化規(guī)律，本文選取海拔0，1 500，2 000，2 500，3 000 m作為實驗點。由表2可見，海拔每升高500 m，對應真空度約上升0.005 MPa。對應本文選取的海拔，真空罐內的真空度依次增大0，0.015，0.02，0.025，0.03 MPa。
由于真空度高于0.025 MPa、發(fā)動機轉速超過1 600 r/min后，泵機組出現(xiàn)了劇烈抖動現(xiàn)象，為避免繼續(xù)升速后損壞實驗設備，各海拔下均選取泵機組發(fā)動機轉速為1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 600 r/min進行實驗。泵由發(fā)動機經(jīng)過增速器驅動運行，增速比為1.52，對應的泵轉速為1 672，1 824，1 976，2 128，2 280，2 432 r/min，在各轉速下測試泵入口持液率數(shù)據(jù)。
實驗按照GB/T 3216—2005《回轉動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》[13]、GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規(guī)范 精密級》[14]和GB/T 13929—1992《水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機試驗方法》[15]等國家標準規(guī)定的方法進行。
2實驗結果
按照上述方法開展實驗，獲取離心泵在不同海拔和轉速下的泵吸入口持液率曲線。因持液率曲線較多且規(guī)律類似，本文只列出各海拔下泵轉速為1 824和2 280 r/min時的持液率數(shù)據(jù)，并以海拔0 m、泵轉速2 280 r/min時的持液率數(shù)據(jù)曲線為例對實驗過程進行說明。700 s時發(fā)動機掛泵，因泵入口流體被吸走且后續(xù)流體未能及時補充，此時泵吸入口流體含量迅速降低，所以瞬間泵吸入口處氣體含量急劇增大，而后隨著管內流體的不斷流動補充至泵吸入口處，持液率慢慢回升直至基本穩(wěn)定于一固定值。2 250 s時，發(fā)動機與泵連接斷開，泵吸入口持液率上升，因泵停止運轉，而后續(xù)流體仍然繼續(xù)流動，泵吸入口管線內瞬間充滿流體，造成吸入口持液率大幅上升，而后隨著流體流速的下降，持液率數(shù)值恢復至實驗初始狀態(tài)。
3數(shù)據(jù)分析
整理泵在不同海拔和轉速下含氣率測試儀輸出的電壓值 β ，計算泵吸入口持液率 α 和泵吸入口持液率變化率 γ ，得到泵在不同真空度下的持液率變化規(guī)律。
離心泵吸入口持液率 α 和持液率變化率 γ 的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，泵吸入口的持液率符合以下規(guī)律：①不同海拔、相同轉速下，泵的持液率隨海拔的提升不斷降低，即海拔越高，泵吸入口的持液率越低，海拔每升高500 m，泵吸入口持液率下降2%~5%；②相同海拔、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低。
泵轉速不變，海拔升高時，因大氣壓力 P 降低，而高差 Z 與動能 0.5ρv入2均不變，導致離心泵吸入口壓力 P入降低，離心泵的吸入能力下降，泵吸入口持液率降低。海拔不變，泵轉速升高時，泵吸入口流體流速升高，流體動能升高，若要繼續(xù)保持方程兩端平衡，則吸入口壓力與流體密度至少有一項需要減��；若吸入口壓力降低，則與第一種情況相同；若流體密度減小，則說明液體內混入氣體，即吸入口持液率降低。
4結論
通過一系列不同海拔和轉速下泵高原吸入性能模擬實驗，獲取了離心泵在不同海拔和轉速下泵吸入口持液率，生成了泵的持液率變化曲線，分析實驗數(shù)據(jù)得出以下結論：
1）不同海拔、相同轉速下，泵的持液率隨海拔的提升不斷降低，即海拔越高，泵吸入口持液率越低，海拔高度每升高500 m，泵吸入口持液率下降2%~5%；
2）相同海拔、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低；
3）隨著泵吸入口持液率降低，泵內吸入氣體增加，泵內流體流動狀態(tài)不穩(wěn)定，泵出入口壓力及流量波動劇烈，泵機組工作狀態(tài)趨于不穩(wěn)定。
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