部分流式液氮泵水力特性测试

朱圣良 袁春燕 庄 明 陆小飞 刘晓东

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1 引言

随着低温工质如液氧、液氮、液氦等在工业及科研中的应用日益广泛，用于其输运的低温液体泵的应用也越多。低温液体泵泵送工质温度极低，为保证输运的安全性和经济性，要求低温液体泵具有高效率、低漏热、高可靠性等特点。在诸多超导体强迫对流冷却应用场合如高温超导电缆、大型超导磁体冷却等应用中，由于冷却对象热负荷不大，而其长度方向较长，其对低温液体泵的需求为高扬程而小流量，如果此时泵采用常规电机驱动，那么泵此时对应的比转速较小，此时离心泵效率较低。考虑到部分流泵在低比转速下效率较高、轴承选择要求较低、加工容易的特点［1］，参考 Barber－Nichols 公司为 EAST 提供的超临界氦循环泵实体模型，设计并制造了一台部分流式液氮泵，在设计中，为了减少泵体漏热，采用了延伸轴长设计，同时为减少环境温度与低温环境辐射换热，沿轴长方向设置了多块防辐射屏。泵的设计过程及模拟分析详见文献［2］。液氮泵的设计参数、主要结构尺寸如表1、表2所示，泵的组装后如图1所示。

表1 液氮泵设计参数Table 1 Design parameters of liquid nitrogen pump

表2 泵结构尺寸Table 2 Dimensions of pump housings

图1 液氮泵组装图Fig.1 Photo of test pump

2 测试平台

低温液体泵的实际性能需要通过实验实测得到。为完成相关测试，搭建了一套测试平台，通过相关的测试实验测定泵的水力特性，包括不同转速下流量扬程特性，流量效率特性等。参考欧洲核子中心CERN的ATLAS磁体所用液氦泵测试系统［3］，设计的泵测试平台流程如图2所示。

图2 低温液体泵测试平台流程Fig.2 Schematic diagram of pump test apparatus

测试平台中，容器1、2通过发泡材料包裹，低温管道、阀门等也都外包了绝热材料以减少漏热。泵竖直安装在容器1上，实验时泵启动后从容器1中抽出液氮，通过管道、阀门及相关测量仪器进入更高的容器2中，液体由于重力差从容器2中经过可调节流量的阀门返回容器1，完成整个循环过程。

泵由变频电机驱动，泵转速通过变频器调节，变频器调节频率20 Hz—110 Hz对应泵转速1 200—6 600 r/min。测试过程中，改变泵运行转速，测定泵在不同转速下不同流量情况下泵的性能参数，得到泵的完整特性表现。

试验中，流量计为GPI产涡轮流量计，准确度为±0.5%;压力测量采用电容式压力变送器，准确度为±0.075%，温度计采用铂电阻温度计Pt100。

3 测试结果

3.1 扬程特性

向容器1中灌注液氮，调整液氮液位，当液位高于叶轮0.2 m时，泵能顺利启动。通过调节出口阀和电机转速，完成了液氮测试实验，实验的测得的流量－扬程特性曲线如图3所示，实验与预测扬程对比如图4。

图3 泵流量-扬程特性曲线Fig.3 Head rise vise flow rate of pump at different speeds

图4 实验与预测扬程对比Fig.4 Test and predicted head rise of pump

从测得的泵流量扬程特性曲线来看，泵在小转速时扬程与数值计算值较为吻合，同时泵的流量范围内的扬程变化很小，与预测值及部分流泵理论分析［4］一致;但当泵的转速提高至3 600 r/min以上后，泵的实测扬程要远低于预测值，且泵的扬程随流量增大衰减明显，同时也观察到泵工作产生的的噪声随转速提高增大明显的现象。试验中也发现，当液位超过叶轮0.15 m以上泵才能顺利启动，在液位较低时，泵的出口为氮气或不稳定的气液混合物。以上信息表明，在转速较高的测试试验过程中，泵内产生了严重气蚀过程，该过程急剧的抑制泵的性能并使泵产生较大的噪声和振动。

为评价泵的气蚀特性，并甄别泵在高转速下扬程偏离设计值的真实原因，通过提高泵的空化系数以排除泵内气蚀现象，考察泵在无气蚀状况下运行情况。由空化系数定义:

式中:Pin为入口压力，Pv为工质入口条件下的汽化压力，H为泵的理论扬程。

由式(1)可知，在高转速下提高泵的空化系数最有效的方法是提高泵入口压力或降低工质汽化压力，考虑到现有实验条件中提高泵入口压力实现较为困难，更换泵送工质以提高汽化压力的方法将被采用。替代工质选择常温水，300 K下水的汽化压力约为3 500 Pa，相比液氮在101.325 kPa左右的入口压力下，该泵采用水工质后的空化系数将大幅提高，从而避免泵内发生气蚀。

为此，以水为工质在液氮泵测试平台中进行相应的测试实验，在实验中，重复液氮测试实验内容，得到水测试实验的结果如图5所示。在实验中也观察到，水试验产生的噪音要小于液氮实验，在高转速下差别更为明显，这也表明液氮试验中巨大噪声是由气蚀引起。

图5 泵水试验流量扬程特性Fig.5 Characteristic curves of water test for pump

图6为水测试实验得到的扬程特性与水的数值模拟得到的扬程特性对比，从图中可以观察到测试实验值均低于数值模拟值。考虑到实际运行中，异步变频电机存在一定转差率，即泵运转频率要略低于变频器输出频率，普通变频电机转差率约为1%—6%，采用4%的转差率修正扬程测试值，反映在图6中，从图中可以看出，两者间的差距有一定缩小，最大误差在10%以内。

图6 水试验与模拟值比较Fig.6 Test and predicted head rise of water test for pump

3.2 气蚀特性

气蚀现象是流动液体内气泡的迅速产生并溃灭的现象，空泡溃灭时，液体将产生冲击速度很高的微射流，对叶轮材料有较大冲击破坏，并减弱泵的效率和做功能力，引起振动、产生巨大噪音。在液氮实验中，泵的入口压力相对液氮饱和压力只有约0.2 m的压头，因此进入泵内的液氮极易产生气蚀现象，该过程将破坏泵内液体流动的连续性，影响流道内速度分布，导致泵的扬程的下降［5］。在试验中，在高转速的大流量区域，泵的扬程下降明显，这与气蚀加剧有关，当泵的转速和流量增加时，液氮进入泵内的损失增加，泵内产生的负压增长迅速，因此气蚀也越严重，致使泵扬程严重偏离设计值［6］。

由于低温液体泵工作的空化系数通常较低，在运行中气蚀也是常见的现象，为此需要实测给出泵的气蚀特性。由于在试验中引入了两种工作介质，并且测试实验中泵的运行在多个工作转速下，无量纲参数将被引入以评价泵的气蚀特性。引入的无量纲参数包括空化系数σ，流量系数φ及压力系数ψ，其中流量系数及压力系数的定义为:

式中:qv为体积流量;D为叶轮直径;H为实际扬程;n为泵转速。

图7 泵无量纲空化特性Fig.7 Non-demensional cavitation characteristic of pump

通过实验完成的气蚀特性曲线如图7所示。从图中可以看出，泵在空化数大于0.1时，泵不同流量系数下的压力系数变化不大，空化数小于0.012 6时，泵的压力系数衰减迅速，这说明此时空化已经比较严重，影响了泵的扬程表现。根据相似性准则，可以认为当空化系数大于0.012 6时，泵不产生气蚀或产生的气蚀对泵扬程影响不大。因此，为满足泵内不发生气蚀的要求，低温液体泵泵送77.4 K液氮时，其入口压力应大于0.109 MPa，或者泵送工质应为101.325 kPa压力下，温度低于76.6 K的过冷液氮。另外从图中也可以看出，不同流量系数下，压力系数变化不大，这也反映了部分流泵扬程与流量变化关系不大的特性。

4 结语

实测了设计加工的长轴式部分流低温液氮泵的扬程、气蚀特性，实验发现在空化系数较大，泵内无空化时，泵的扬程与预测值相符，泵在6 600 r/min时能达到71 m的扬程;当空化数小于0.012 6时，泵内气蚀开始影响泵的扬程特性，使其偏离设计值，同时气蚀将使泵发生较大的噪声和振动。针对气蚀现象，提出了相应的运行建议以改善气蚀带来的影响。

另外由于泵耗功尚未能准确测量，因此相关的泵效率特性将有待进一步完成。

1 张小伟，白红宇.部分流超临界氦循环泵特性分析［J］.低温工程，2005，146(4):24－28.

2 朱圣良，袁春燕，庄 明，等.低温液体泵设计及模拟分析［C］.第十届全国低温工程大会，兰州，2011.

3 Pengo R，Junker S，Passardi G，et al.Test results of a 1.2kg/s centrifugal liquid helium pump for the ATLAS superconducting Toroid Magnet System ［C］.19th International Cryogenic Engineering Conference(ICEC19).Grenoble，France:2002.71－74.

4 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1983.326－327.

5 Cristina Bramanti.Experimental study of cavitation and flow instabilities in space rocket turbopumps and hydrofoils［D］.Pisa，Italy:Ph.D.Dissertation of University of Pisa.2006.20－30.

6 蔡兆麟.能源与动力装置基础［M］.北京:中国电力出版社，2004.85－90.