离心泵叶轮内部清水流动实验研究

图1　叶轮与蜗壳几何形状

图2　叶轮内部测点布置

　　测速计为美国TSI公司出品的四光束，绿、蓝二色，后散射式二维LDV流速测量系统.在电动机轴头上安装与泵轴同步旋转的轴编码器.它可以记录流道扫过测量体所转过的角度，使采样数据和流道扫过测量体所转过的角度存在一一对应关系.利用三维直角坐标架逐次将光学探头形成的测量体移动到流场中预定的位置，然后操作微型计算机进行数据采集，最后进行对采集的数据进行处理，得到流速分布，通过计算速度三角形，得到相对流速.
　　实验表明，探头定位误差为5.0%，LDV测速计流速测量误差为1.8%，最后LDV测速计流速测量总误差为5.3%.
　　叶轮内部流动测量在蜗壳第Ⅳ断面内进行.测量点沿轴向Z、径向R布置如图2所示.沿圆周θ方向测量点由轴编码器根据选定的工作方式、每转脉冲采样次数、扇区和窗口数计算.

3　结果与讨论
　　图3是泵输送清水的性能曲线.泵转速为1485r/min，水的温度为20℃.工况位于QBEP=5.79l/s处，率ηmax=56.6%.图中扬程曲线上找“○”标记的两个工况为LDV测量工况，小流量工况位于Q=0.58QBEP处.

图3　离心泵性能曲线

　　图4是Z=9mm测量面上工况和小流量工况叶片之间清水相对流速向量图.图5(a)是叶轮工况叶片之间清水相对流速向量图.当R=50mm时，叶片吸力面附近的流速比压力面高，约为2倍，相对流速位于叶片吸力面附近，流速分布很不均匀.当R=70mm时，吸力面附近的流速还是比压力面高，约为1倍，相对流速位置与吸力面距离较远，移向流道中间位置，流速分布不均匀.当R=85mm时，吸力面附近的流速却略比压力面低，相对流速位置与叶片吸力面距离更远，移到了压力面附近，流速分布比较均匀.

图4　相对流速向量

　　图5(b)是叶轮小流量工况叶片之间清水相对流速向量图.当R=50mm时，吸力面附近的流速略比压力面附近的高，相对流速位置与吸力面距离约为流道宽度的50%，在压力面和吸力面附近流速方向都变化较大，说明压力面和吸力面附近都有回流区.当R=70mm时，吸力面附近的流速略比压力面附近的高，相对流速位置距离吸力面约为流道宽度的30%，在压力面附近的流速方向变化较大，说明在压力面附近也有回流区.当R=85mm时，吸力面附近的流速明显比压力面低，但没有回流区.
　　由此可见，随着流体向叶轮出口流去，吸力面的相对流速逐渐降低，压力面的相对流速逐渐增高，吸力面与压力面的相对流速差逐渐减小.叶轮借助旋转把其入口附近的吸力面高压力面低的不均匀相对流速剖面逐渐转化为吸力面略低压力面略高的均匀的相对流速剖面.
　　图5是在流道内的相对流速分布图.由图可见，上述的相对流速剖面演化规律体现得相当充分.
　　图5中，在叶轮出口附近，叶片吸力面附近的相对流速比压力面低一些，但低得不多.这种吸力面附近相对流速比较低的流动称为约束尾流.这种尾流的基本特征是相对流速比周围流体的低，因此应按相对流速分布来判断尾流的大小.如：文献［3～8］根据相对流速的径向分量来判断尾流位置和范围.对后弯叶片，相对流速的径向分量在相对流速中所占比重较小，不能代表相对流速.所以根据该分量判断后弯叶片尾流是不正确的.本文规定在R=85mm处相对流速小于测量的相对流速算术平均值位于叶片吸力面附近的流动为尾流.
　　由图可见，和小流量工况叶轮都存在尾流，在工况，尾流位于吸力面/后盖板拐角处，在小流量工况，尾流位于吸力面/前盖板和吸力面/后盖板拐角处，并且覆盖整个吸力面.由工况变到小流量工况，尾流的范围扩大了.但是由于吸力面与压力面之间相对流速之差较小，叶片之间相对流速变化较缓慢，不存在剪切层，即压力面不存在射流，故本实验叶轮内部流动不符合在离心压缩机或鼓风机的径向或前向叶轮内部存在的射流/尾流模型流动模型.

　　　　(a)工况　　　　　　　　(b)小流量工况
图5　流道内相对流速分布

4　结论
　　(1)随着流体向叶轮出口流去，旋转的叶轮把离叶轮进口较近处的吸力面高压力面低的相对流速剖面逐渐转化为叶轮出口附近处的吸力面低压力面高的剖面，但是在叶轮出口附近压力面和吸力面的相对流速之差并不很大.
　　(2)小出口角叶轮内部存在范围较窄的尾流，尾流与非尾流部分缓慢过渡，两者间不存在明显的剪切层，即不存在射流，该叶轮内部流动不符合在离心压缩机或离心鼓风机的径向或前向叶轮内部存在的射流/尾流模型.

参考文献
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