试验系统夹气对离心泵性能测量的影响分析

刘成胜，王晓锋，赵艳丽，张 凯

(西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

0 引言

离心泵在进行试验之前，先要对试验系统进行蓄水和排气，如果试验系统中含有气体，轻则引起试验系统的振动，重则将引起气堵或系统破坏，因此研究试验系统夹气(即含少量气体)对离心泵性能测量的影响很有必要。

1 离心泵性能分析

泵水力试验系统按照GB/T 3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验1级、2级和3级》建设，试验系统的出入口工艺管路直径与离心泵的出入口直径相同，压力测点位置距离泵出入口法兰端面2倍DN。本文不考虑测点位置、出入口直径小偏差对离心泵测量参数的影响。

1．1 扬程

由伯努利方程知，离心泵扬程由下式求得：

(1)

式中:pe为离心泵出口压力(绝压)，Pa；pi为离心泵入口压力(绝压)，Pa；Z2为离心泵出口压力传感器位置高度，m；Z1为离心泵入口压力传感器位置高度，m；υ2为离心泵出口测压点处管道介质流速，m /s；υ1为离心泵入口测压点处管道介质流速，m /s；g为重力加速度，m /s2；ρ为流体介质密度，kg/m3。

从式(1)可以看出，离心泵的扬程与泵特性、流经离心泵的介质体积流量和测压传感器的位置高度有关，与输送介质无关，即对于某台特定的离心泵来说，无论输送什么介质，经过相同体积流量时扬程相同。如果用压力表示离心泵的扬程时，即:

(2)

从式(2)可以看出，当离心泵的扬程用压力表示时，除与输送介质的密度有关外，还与泵特性、流经离心泵的介质体积流量、当地的重力加速度和出入口压力传感器测量基准面的位置有关。

1．2 效率

离心泵效率计算公式：

(3)

式中：Pe为离心泵的输入功率，kW；Q为流经离心泵的体积流量，m3/s。

效率为无量纲量，与泵特性有关，根据相似准则，与介质无关，所以效率与介质的密度无关。

1．3 功率(输入功率)

离心泵功率计算公式：

(4)

根据扭矩测功原理，从式(4)可以看出，单位体积的流体经过离心泵所做的功与离心泵特性、介质的密度和当地的重力加速度等有关。

1．4 汽蚀余量

离心泵的汽蚀余量计算公式：

(5)

式中pv为试验温度下液体介质的汽化压力 ，Pa。

从式(5)可以看出，汽蚀余量与试验地点的大气压有关，同时还与入口压力、试验介质在试验温度下的汽化压力和流经离心泵的介质体积流量有关。

2 夹气对离心泵性能测量的影响分析

假定水为不可压缩流体，为了便于分析，定义如下变量：

2．1 夹气对扬程测量的影响

离心泵的性能曲线一般是随着流量的增大扬程降低，功率增大，效率先增加在额定流量点达到最高值然后随着流量增大而降低。

2．2 夹气对功率测量的影响

试验系统夹气时，水气混输，由于试验过程中测量的M对应的流体密度为ρ混合，而ρ混合<ρ水，离心泵的输出功降低，所以测量出的扭矩变小，由式(4)可以看出，离心泵的测量功率降低了。

2．3 夹气对效率测量的影响

离心泵的效率理论上与密度无关。试验系统夹气时，水气混输，离心泵的测量功率降低，而数据处理时使用的密度是ρ水，而ρ水>ρ混合，由式(3)可以看出，离心泵的测量效率提高了。

2．4 夹气对汽蚀余量测量的影响

试验系统夹气时，水气混输，会对离心泵的抗汽蚀性能产生影响，影响程度可按下面的公式估算：

(6)

式中：NPSH1为不含游离气体时泵的汽蚀余量；δ为泵入口介质游离气体相对含量。

试验系统夹气时，水气混输，在试验温度下，水汽化时的汽化压力pv不变，但是当水中含有气体，汽蚀试验时随着离心泵入口压力的降低，气体易于析出、膨胀和聚集，气体占据部分过流通道，增加了液相的流动阻力，入口压力没有完全为水介质下降低那么多，但加速了泵出口压力的降低，根据式(5)看出，测量的汽蚀余量大了。从式(6)和图1可知，随着含气量的增大，测量的汽蚀余量增大。

图1 流量为6 m3/h下不同含气量 的汽蚀试验曲线Fig.1 Cavitation test curves at different air content as Q=6 m3/h

3 试验系统夹气时流量计位置对测量结果的影响分析

3.1 流量计位于离心泵和调节阀之间

当离心泵入口流量为Q水+气时，离心泵出口的流量变为Q水+气′，流量计位于离心泵和调节阀之间时(图2)，试验测量得到的应该是H′-Q水+气′，P-Q水+气′，η-Q水+气′曲线，对应关系成立。

图2 流量计位于离心泵和调节阀之间的试验系统原理图Fig.2 Schematic diagram of test system when flow meter is located between the centrifugal pump and regulating valve

3．2 流量计位于离心泵出口调节阀之后

当离心泵入口流量为Q水+气时，离心泵出口的流量变为Q水+气′，调节阀后的混合流体由于压力降低气体膨胀，流体的压力接近离心泵入口的压力，即流量计测量的泵流量接近泵入口的流量Q水+气(图3)。而试验测量的扬程对应流量是Q水+气′，实际上该得到的是HQ水+气′-Q水+气′的关系，而ρ混合<ρ水，数据处理时使用的密度为ρ水，由式(2)可以看出，测量的泵扬程H′提高了。由于测量的是Q水+气′状态下的功率，测量的功率偏小，由式(3)看出，测量得到的效率提高了。

图3 流量计位于泵出口调节阀之后的试验系统原理图Fig.3 Schematic diagram of test system when flow meter is located after regulating valve

4 试验验证

针对xx-xx型号离心泵试验中(流量计位于调节阀后)，气体未排净造成了数据的偏差(见表1)，后将系统中气体排净后重复进行了试验(见表2)。试验数据曲线如图4所示。

表1 夹气试验数据

表2 排气后试验数据

从图4可以看出，夹气试验的结果与夹气对试验结果的影响分析一致，试验系统夹气时测量的扬程(用压力表示的扬程)和效率性能参数高于未夹气时的性能参数，而功率则降低了。

图4 夹气试验与排气后试验数据图Fig.4 Data graphs of gas entrapment test and after exhausting test

5 结论

经过以上分析，可以得出以下结论：

1)试验系统夹气会造成测量的离心泵扬程(用压力表示的扬程)和效率提高，功率降低，汽蚀余量增大。

2)流量计位于离心泵和调节阀之间，试验系统夹气时，测量的扬程(用压力表示的扬程)、效率和功率都接近未夹气时的结果；当流量计位于调节阀之后，试验系统夹气时测量的离心泵扬程(用压力表示的扬程)和效率都高于未夹气时的结果，功率降低。

3)由于流量计位置对测量的离心泵性能有影响，所以在设计试验系统时尽可能把流量计设置到离心泵和调节阀之间，而非离心泵出口调节阀之后。