离心泵叶轮导叶动静干涉的PIV测试

唐晓晨，朱智朋，邱 勇，王 凯，吴贤芳(.江苏振华泵业制造有限公司，江苏姜堰5500；.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江0；.江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江0)

0 引 言

若要通过设计方法来改善泵性能，必须掌握泵内部流动机理。20世纪80年代后期开始发展并逐渐成熟的PIV技术是一种非接触式瞬态流场测试技术，由于具有全流场快速测量、直观等优点，近年在泵内部流动研究中得到了广泛的应用。另外，在叶轮机械中动静干涉会引起叶片表面产生压力脉动，从而引起气动和声学性能的变化，影响叶轮机械的效率、传热性能并导致周期性疲劳损伤。因此，近年来叶轮机械中的动静干涉引起了越来越多的关注。Pedersen等人[1]利用PIV对一离心泵在设计工况和0.25倍设计工况下的流动情况进行了研究，研究发现在设计工况下，在叶片的表面上没有发生脱流或者回流现象，但在0.25倍设计工况下，不仅观察到上述的两种现象，还发现了一种“双通道”现象，并分析了“双通道”的产生机理和发展规律。Feng等人[2]利用PIV系统研究一比转数为22.6导叶式离心泵，进行了内流测量，测量发现在0.5倍设计工况下就在泵内产生了“双通道”现象。Westra[3,4]利用PIV和CFD分别对一低比转数导叶式离心泵在0.8、1.0和1.2倍设计工况下的内部流动进行了研究，发现了二次流存产生的位置和发展趋势以及“射流-尾迹”随着流量的变化规律。任芸等人[5,6]利用PIV技术分析了一比转数为74的离心泵的叶轮流道内不稳定流动的发生和发展规律，研究结果表明：不稳定流动在0.6Qd工况开始产生，直到0.4Qd工况得到发展，最后在0.1Qd时几乎不稳定流动涡发展到了整个叶轮流道；靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内流动最不稳定，最先出现分离涡的流道。施卫东等人[7,8]采用CFD数值计算与PIV测量手段，对一比转数为60的潜水排污泵蜗壳内流进行了测量，研究结果表明在小流量和设计工况下蜗壳隔舌与蜗壳进口之间的速度较高，在该处造成较大的速度梯度，而在大流量情况下并没有出现这种情况。此外，吴亚东等[9]研究无动量亏损尾迹与动叶相互干涉的流场，得到动叶在不同位置处静子与动叶相互干涉的流场，结果显示：无动量亏损尾迹对流动的稳定性有一定的效果，不仅加快了动叶尾迹的耗散，同时也削弱了动叶尾迹中脱落涡对下游流动的影响，使下游流场的流动更稳定。

本文利用PIV技术对导叶式离心泵内部流场进行测量，获得了叶轮和导叶内的速度、液流角等分布，为进一步研究离心泵叶轮导叶动静干涉效应，提供了可靠的依据和资料。

1 实验装置

1.1 试验台及PIV系统

试验用泵内流测试试验台如图1所示，主要测试设备有用于控制电机转速的变频控制柜、三相异步电动机、用于测量流量的电磁流量计、压力变送器、三相PWM专用测试仪等。

试验用的PIV系统是美国TSI公司2009年商用PIV系统，主要包括：脉冲激光器；610035型同步器；CCD相机；内置Tecplot等后处理软件的图像采集及数据分析系统Insight3G；610015-NW型光臂、片光源透镜组等。

图1 PIV测试系统及其试验台

1.2 外触发同步系统

PIV同步器控制系统是整个PIV系统的核心，主要用于图像的捕捉和激光脉冲的秩序控制，脉冲间隔和帧数量的确定以及实现外部触发等[10]，本试验采用TSIPIV系统，其每帧图像最大采样频率只有7.5 Hz，而试验用电机的额定转速为1 450 r/min，最大转速时输出频率为1450/60×1≈24.2 Hz，远大于PIV采样系统的采样频率。

此外，PIV试验用变频器控制柜调节电机转速，然而变频器发出的电信号会严重干扰外触发脉冲信号。但试验用外触发同步系统是由光纤制作，而光纤是绝缘体材料，具有很强的抗电磁干扰能力，完全可以避免变频器输出信号的干扰[10]，本试验采用的外触发同步系统，如图2所示，该系统主要由两部分组成，一部分是同步触发控制器主机，它主要对输入的轴编码信号进行滤波、计数、延时和触发信号输出(通过光纤接口输出)；另一部分是光纤传输转换器，它主要把主机通过光纤发来的触发脉冲信号转换为电平信号，然后将TSI同步器和BNC接口接起来，完成同步触发信号的传输。

图2 外触发同步系统

1.3 试验用泵

为了便于PIV测量，试验用泵叶轮、导叶以及泵体均采用有机玻璃铸造做成。有机玻璃的优点为质地均匀，无气泡、杂质，各个表面均抛光处理，各个表面粗糙度达到3.2级。其结构如图3。

图3 试验用泵结构

2 实验方案

2.1 测量工况

本次试验共测量5个工况，分别为0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd(其中Qd为设计工况，为32.8 m3/h)。

2.2 测量断面及区域

PIV测量断面为叶轮中间截面。测量区域(如图4所示)为导叶和泵体内的区域1、叶轮流道内的区域2。

为了研究区域2的瞬时流动，将该流道划分为4个不同的相位，分别记为0、T/4、T/2、3T/4，相位差为18°，如图5所示。该相位差在Insight3G软件中通过脉冲延迟时间来设置，在1 450 r/min下叶片转过18°约为2.069 ms。

图4 测量区域

图5 叶片相位示意图

2.3 示踪粒子的选择及相机的布置

Al2O3粉末价格便宜，能较好地散射激光且对流体有很好的跟随性，因此，选用Al2O3粉末作为示踪粒子[10]。

采用Scheimplüg方式布置两台CCD相机。

2.4 标定方法

本研究通过采用等效标定方法对水箱进行标定来提高PIV测量精度，即把标定靶盘放在泵体外的水箱内进行标定。标定水箱由水箱、叶轮前盖板和导叶前盖板三部分组成，是由机玻璃加工而成，水箱的壁厚与泵体的壁厚相等。

2.5 试验步骤

通过变频控制柜将电机转速n调到1 450 r/min，并通过出口阀门调节流量，待流动稳定后采用PIV测量流场，依次重复直至完成所有工况下的流场测量。

3 测量结果与分析

采用离心泵PIV测量速度处理软件对得到的20组互相关的速度文件进行处理，并将得到的速度向量文件导入Tecplot软件中进行处理，得到不同区域在不同工况下的速度分布。

3.1 叶轮速度分布

从工作面到叶片背面过渡的区域如图4所示，在测量区域2上沿径向半径逐渐变小的方向过渡。叶轮测量区域2上出口处的v/u分布情况如图6所示。t=0时刻，流体的绝对速度从工作面到叶片背面先增大后减小，绝对速度靠近叶片背面的位置略大于工作面，且出口处的绝对速度值随着流量的增大而减小。t=T/4时刻，绝对速度从工作面到叶片背面先增大后略微减小然后再增大，但在靠近叶片背面，1.4Qd工况下的绝对速度明显大于1.2Qd工况和1.0Qd工况。t=T/2时刻，绝对速度从工作面到叶片背面几乎没有变化。t=3T/4时刻，绝对速度从工作面到叶片背面逐渐增大，但增长比较缓慢。

图6 叶轮测量区域2上出口处的v/u(PS为压力面、SS为吸力面)

在叶轮测量区域2上出口处的w/u分布情况如图7所示。t=0时刻，相对速度从工作面到叶片背面先减小后增大，且相对速度值随着流量的增大而增大。t=T/4时刻，设计工况和大流量工况从工作面到叶片背面相对速度呈减小的趋势，而两个小流量工况则先减小后增大再减小。t=T/2时刻，相对速度从工作面到叶片背面基本没有变化。t=3T/4时刻，ζ>0.75时的相对速度则减小，ζ<0.75时相对速度变化不大。

图7 叶轮测量区域2上出口处的w/u(PS为压力面、SS为吸力面)

3.2 叶轮出口处的液流角分布

由速度三角形(见图8)，叶轮内的绝对液流角α和相对液流角β可以根据圆周速度u、绝对速度v和相对速度w计算出来，如下：

图8 速度三角形

将0时刻5个工况下绝对速度矢量文件导入到自编的离心泵PIV测量速度处理软件处理成绝对液流角分布文件和相对液流角分布文件。t=0时刻各个工况下叶轮测量区域2上出口处从工作面到叶片背面的绝对液流角和相对液流角分布如图9和10所示。

图9 t=0时刻叶轮测量区域2上出口处的绝对液流角(PS为压力面、SS为吸力面)

图10 t=0时刻叶轮测量区域2上出口处的相对液流角(PS为压力面、SS为吸力面)

从图9中可以看出，叶轮测量面2出口的绝对液流角基本上都随着流量的减小而减小。其中设计工况与大流量工况绝对液流角的变化情况基本一致，从工作面到叶片背面绝对液流角呈先减小后增大的变化趋势。从工作面到叶片背面两个小流量工况下绝对液流角先增大、后减小、接着增大、最后减小。由于受到导叶进口叶片的影响(如图9放大框图)，在ζ=0.55～0.75区间，绝对液流角较小，在小流量工况下泵内流速较慢，导叶叶片对叶轮出口处的速度影响较大，使得绝对液流角变化比较明显。

从图10中可以看出，设计工况与大流量工况的相对液流角变化趋势基本相同，小流量工况的相对液流角变化情况基本保持一致。同样，由于受到导叶进口叶片影响，小流量工况下的相对液流角也较小。

4 结 语

采用PIV技术对0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd等5个工况下导叶式离心泵内部流动进行了测量。主要结论如下：

(1)采用等效标定方法和由光纤制作外触发同步系统，避免了变频器输出信号的干扰，提高了测量精度。基于自开发的离心泵PIV速度测量处理软件，得到了相对速度、无量纲速度w/u、v/u、绝对液流角、相对液流角等在不同工况下的分布。

(2)通过PIV内流测试系统对导叶式离心泵内流测量结果显示：所有测量工况下的泵内流流态较好；导叶叶片凸面虽然存在低速区域，但并没有产生回流现象；在导叶流道内，在导叶凸面出口区域流动的速度较小，且没有明显规律，但并没有出现可视的漩涡；叶轮测量区域2出口的绝对液流角基本上都随着流量的增大而增大，其中设计工况与大流量工况的变化情况基本一致，从工作面到叶片背面绝对液流角呈现出先减小后增大的趋势；从工作面到叶片背面小流量工况的绝对液流角先增大、后减小、接着增大、最后减小；设计工况和大流量工况的相对液流角情况基本一致，同样，小流量工况下的相对液流角变化情况基本保持一致。

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