基于环对称掺气的液体射流泵试验研究

李梦秋，陈云良，华有明，徐永

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

pressure pulsation

液体射流泵指的是工作液与被吸液均为液体的射流泵(以下简称射流泵).射流泵通过紊动扩散作用传递能量与动量，这个过程伴随着较大的能量损失，导致射流泵的效率偏低.目前，采用结构优化来改善射流泵性能的研究较多.SHEHA等[1]通过数值计算得出，射流泵最优面积比为0.271，喉管最佳相对长度为5.48，效率最大时扩散角为5°.龙新平等[2]通过数值计算得出，喉嘴距为1.0倍喷嘴直径时，效率最高；最优喉嘴距为0.5～1.5倍喷嘴直径.冉鲁光等[3]对流线形喷嘴时的射流泵流场进行了数值模拟.赵阳等[4]提出一种复合射流泵技术，并通过数值模拟研究不同中心喉嘴距对复合射流泵性能的影响，得出中心喉嘴距的较佳范围为0.2～0.8倍环形喉嘴距.

在工作压力一定的条件下，随着出口压力降低，射流泵内会经历初生空化、发展空化以及剧烈空化等过程[5]，当出口压力降低至某一数值后，吸入流量不再随着出口压力的进一步降低而增加，而是维持在一定数值上，这一工况称为射流泵的极限工况.射流泵的空化不仅会产生噪声和振动，还会导致射流泵效率降低，严重制约射流泵发展和应用.

国内外学者对射流泵的空化现象进行了很多研究.龙新平等[6]利用B&K加速度仪和水听器对空化条件下射流泵各部位进行监测，研究了射流泵空化噪声与振动特性.WANG等[5]通过数值计算得出：与传统的折线形环形射流泵相比，流线形射流泵吸入室与喉部连接平滑，没有流动分离和局部低压现象，空化起始与发展区域靠近下游，正常工作范围变宽，效率略有提升，最大提高1.4%.

上述研究表明，掺气是改善空化性能的有效措施之一.锦屏一级水电站通过大轴中心补气，有效减轻了汽蚀[7].龙新平等[8]提出一种通过喉管自动补气来改善射流泵汽蚀性能的技术，并采用非对称方式来开展试验研究，发现补气能改善喉管内的压力分布，破坏严重空蚀时的液汽混合激波面；补入的气体吸收汽泡溃灭时所产生的冲击力和辐射声能，可有效降低射流泵的空化噪声和振动；在某些情况下补气可以增大流量比，且性能不会下降；最优补气位置为距喉管入口1～3倍喉管直径处.LU等[9]对射流泵低压区补气开展试验研究，发现随着吸气量的增加，射流泵空化数增大，噪声减小，下游扩散管的压力脉动降低；同时，压力比增加了5.7%～18.0%、压力损失率减少了0.95%～3.46%.

上述研究均采用单侧补气，空气进入会导致喉管内的流体偏离主轴方向，出现流场水力不对称问题，并且仅研究极限工况时掺气对空化性能的影响，小于极限流量比、正常运行工况下对射流泵的影响还缺乏研究报道.针对射流泵流场轴对称的特点，陈云良等[10]提出一种自动均匀补气减蚀的技术，通过在喉管处环对称均匀掺气，来改善射流泵性能、提高效率.

文中建立水力试验台，对液体射流泵开展环对称掺气试验，研究喉管掺气对射流泵性能的影响，包括正常运行各流量比工况和极限流量比工况.试验成果可为改善射流泵性能提供参考依据.

1 试验方案

1.1 试验装置与仪器

试验装置如图1所示.通过外接水管为水箱供水，为了保证试验时水位稳定，水箱中设置溢流板.工作液和被吸液均来自水箱，混合液排入水箱.由潜水泵从水箱中抽取水流加压形成工作液，通过安装在工作管上的阀门控制工作液的流量.设置在工作管上的涡轮流量计和压力表分别测量工作液的流量和压力.设置在出水管上的涡轮流量计和压力表分别测量混合液的流量与压力.通过安装在出水管上的阀门改变射流泵出口压力，控制混合液的流量.掺气孔设置在喉管进口断面附近.沿喉管到扩散管末端布置5个测点，沿水流方向依次编号①—⑤号.①—⑤号测点分别布置在距喉管进口断面下游120，200，280，406和566 mm的位置.测点外接压力传感器，通过压力采集系统实时测量和采集①—⑤号测点的压力数据.

图1 试验装置图

射流泵如图2所示.

图2 射流泵示意图

高压工作液经由喷嘴射出，压能转化为动能.喷嘴出口处水流处于低压高速状态，卷吸被吸液进入射流泵.由于工作液与被吸液存在极大的速度梯度，二者在喉管入口段和喉管进行能量与动量的交换，形成混合液.混合液经过扩散管后，动能转化为压能，沿出水管流出.掺气具体结构如断面A-A所示，在喉管进口段面附近对称设置3个掺气孔，外接进气管，3个进气管与主进气管相连.通过设置在主进气管上的气体流量计控制进入射流泵的气体流量.气体流量计与掺气孔之间的主进气管上设置止回阀防止射流泵内流体进入气体流量计.射流泵具体尺寸：喷嘴出口直径Dj=20 mm,吸入室收缩角α=30°,喉嘴距Lc=20 mm,喉管直径Dt=40 mm,喉管长度Lt=280 mm,扩散管扩散角β=8°,扩散管长度Ld=286 mm,出水管直径Dc=80 mm.

工作液的流量通过LWY-50F型涡轮流量计测量，测量范围为4～40 m3/h，精度为0.5%.工作液的压力采用Y100型压力表测量，测量范围为0～1 MPa，精度为1.6%.混合液的流量通过LWY-80F型涡轮流量计测量，测量范围为10～100 m3/h，精度为0.5%.混合液的压力采用Y100型压力表测量，测量范围为0～0.16 MPa，精度为1.6%.①—⑤号测点的压力数据通过CY200型压力传感器测量，测量范围为-100～200 kPa，精度为0.1%.掺气流量通过DK800-6型玻璃转子流量计测量，测量范围为0.35～3.50 m3/h.

1.2 基本参数

射流泵流量比q计算公式为

(1)

式中：下标s，j分别为被吸液和工作液；Qs为被吸液的流量；Qj为工作液的流量.

射流泵压力比h计算公式为

(2)

式中：下标c为混合液；pc，ps和pj分别为混合液、被吸液和工作液的平均压力；vc，vs和vj分别为混合液出口断面、被吸液进口断面和工作液进口断面的平均流速；zc，zs和zj分别为出水管、吸水管和工作管的安装位置；g为重力加速度.

射流泵效率η计算公式为

(3)

掺气率C计算公式为

(4)

式中：Qa为空气流量；Qc为混合液的流量.

1.3 试验步骤

试验时工作液流量保持固定.先开展未掺气时的试验，调节出水管阀门、改变出口压力从119.11调节到29.95 kPa，获得各流量比工况q=0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70和0.74(极限工况)的试验数据.

然后对各流量比的工况进行掺气试验，掺气率分别设为C=1.0%，2.0%，3.0%，4.0%和5.0%.掺气试验具体流程如下：① 调节工作管与出水管上的阀门至给定流量比，调节气体流量计阀门至掺气率C=1.0%，预热传感器；② 等待10 min，待工况稳定，通过压力传感器测量并记录①—⑤号测点压力数据(采集频率为1 000 Hz，时长为2 min)，测量并记录工作压力、工作流量、出口压力、出口流量；③ 调节工作管与出水管上的阀门固定流量比不变，调节气体流量计的阀门开度至给定掺气率C=2.0%，3.0%，4.0%和5.0%，每调节一次掺气率，重复一次步骤②；④一个流量比工况测量完成后，重复步骤①，②和③，进行下一流量比工况测量.

2 试验结果及分析

2.1 性能曲线

图3为不同掺气率条件下射流泵的性能曲线.

图3 不同掺气条件下射流泵的性能曲线

未掺气条件下，在未达到极限流量比时，随着流量比增加，压力比近似线性减少.当出口压力降低至38.58 kPa，流量比达到最大值0.74，此后不再随着压力比的降低而增加，此时的工况即为极限工况，相应的流量比称为极限流量比.极限流量比是衡量射流泵工作范围的重要指标.

少量掺气后，在未达到极限流量比时，性能曲线总体高于未掺气时的性能曲线，发现同一流量比下射流泵压力比略有增加.说明掺气能提高射流泵的效率.极限工况情况下，掺气后射流泵流量比有所增加，极限流量比由0.74增至0.77.也就是说，掺气能增大射流泵的工作范围.因此，合理的喉管掺气能改善液体射流泵在各流量比工况下的性能.

引入量纲一化效率变化率参数eη，研究掺气前后射流泵效率的变化情况，即

(5)

式中：η为某工况和某掺气率下射流泵的效率；η0为同一工况下，未掺气时的效率.

图4为未到达极限流量比时效率变化率与流量比的关系.从图中可以看出，掺气率为1.0%，2.0%和3.0%时，射流泵整体效率提升稳定；而掺气率为4.0%和5.0%时，射流泵的整体效率并没有稳定提升.这是因为少量气体由掺气孔进入射流泵之后，被射流泵内的液体携带贴着管壁流动.掺入的气流可以降低近壁面水流的黏度，导致阻力降低[11]，射流泵效率提升.随着掺气率增加，过量的气体造成了射流泵内能量损失增加，效率不再稳定提升.掺气率1.0%时，eη为0.3%～3.4%；掺气率2.0%时，eη为0.6%～3.1%；掺气率3.0%时，eη为0.8%～4.4%；掺气率4.0%时，eη为-1.3%～4.9%；掺气率5.0%时，eη为-2.1%～4.2%.效率变化率增值为0.3%～4.9%；且流量比接近极限流量比时，掺气后增效明显，为2.2%～4.9%.通过上述分析可知，射流泵最优掺气率为2.0%～3.0%，射流泵在此掺气条件下运行时，其效率提升稳定.

图4 效率变化率与流量比的关系曲线

2.2 壁面压力分布

图5为射流泵沿程壁面压力的分布情况.可以发现，未达到极限流量比(见图5a,b)时，掺气后位于喉管上的①号和②号测点压力整体变化不大，位于扩散管的③号、④号和⑤号测点压力整体略有升高.以⑤号为例，掺气5.0%后，流量比0.20时，压力由119.11 kPa增至120.23 kPa；流量比0.40时，压力由91.82 kPa增至92.98 kPa.

图5 射流泵沿程壁面压力分布

随着出口压力进一步降低，射流泵达到极限工况，未掺气时流量比保持不变(见图5c).射流泵出口压力降至35.77 kPa.掺气5.0%后，①号测点压力由-69.47 kPa增至-42.92 kPa，②号测点压力由-29.81 kPa增至-23.05 kPa，③号、④号和⑤号测点压力变化幅度不大.继续降低射流泵出口压力至33.12 kPa，空化加剧(见图5d).掺气4.0%后，①号测点压力由-75.47 kPa增至-53.72 kPa，②号测点压力由-40.39 kPa增至-27.70 kPa，③号测点压力由-15.89 kPa增至-13.48 kPa，④号和⑤号测点压力变化不大.

由此可见，未到达极限流量比工况、特别是小流量比时，掺气后升压区主要位于扩散管段，对喉管内压力影响较小.极限流量比工况时，喉管内压力较低，掺气后喉管内压力提升明显；随着出口压力进一步降低，掺气后压力提升范围向下游延伸.

2.3 极限工况压力脉动

未到达极限流量时，射流泵运行平稳、压力波动并不剧烈.极限工况时，射流泵发生空化、导致泵体产生振动、压力脉动剧烈，造成射流泵稳定性和效率降低.试验主要对极限流量比时的射流泵压力脉动展开研究.图6为极限工况(q=0.74)时，①号、②号和④号测点掺气前后通过传感器测得的压力脉动.

以刚进入极限工况为例(见图6a)：未掺气时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为43.54，25.22，36.47 kPa；掺气率2.0%时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为43.05，26.83，31.41 kPa；掺气率4.0%时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为36.30，19.74，23.50 kPa.可以看出，随着掺气率的增加，①号、②号和④号测点压力脉动峰峰值整体呈现逐渐减小的趋势.

进一步降低出口压力(见图6b)，未掺气时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为16.62，51.26，36.39 kPa；掺气率2.0%时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为34.17，48.38，30.37 kPa；掺气率4.0%时，①号、②号和④号测点的压力脉动峰峰值为35.33，38.92，23.91 kPa.①号测点压力脉动加剧的原因如下：随着出口压力降低，射流泵空化加剧，喉管低压区瞬时压力值大部分接近液体的汽化压力，所以压力脉动并不剧烈.掺入气体之后，射流泵压力有所提升，喉管低压区压力高于汽化压力，压力脉动有所增加.极限工况时掺气能提高射流泵喉管压力、改善空化.因此②号和④号测点的压力脉动峰峰值在掺气之后减少，表明：掺气能减弱射流泵下游的压力脉动.

①号测点变化趋势与前文描述一致，并且从图7b可以看出，①号压力脉动方差呈现先增大后减小的趋势.如文中所述，方差增大是因为压力提升，脉动加剧，而之后的方差减小则是因为掺气使得压力脉动减弱.②号、③号、④号和⑤号测点的压力脉动方差均随着掺气率的增加而减小.相较于②号、④号和⑤号测点，③号测点位于喉管末端附近，压力脉动方差最小.而对比2个工况可以发现，随着出口压力降低，射流泵内空化加剧，②号测点的压力脉动显著增强.这是因为随着射流泵出口压力降低，泵内最低压力区向喉管内发展，空化云也向着喉管内延伸.

图6 射流泵压力脉动

图7 不同掺气条件下的压力脉动方差

因此，通过对比不同掺气条件下的压力脉动方差，在极限流量比工况时，掺气能提高射流泵喉管压力，使其高于液体的汽化压力，从而改善空化现象，减弱下游压力脉动，提高性能.

3 结 论

1) 适量掺气后，未达到极限流量比时压力比总体略有提升，效率变化率增量为0.3%～4.9%，接近极限流量比时效率提升明显.射流泵掺入少量气体后，被泵内液体携带着贴管壁流动，有降低阻力的作用，传能效率有所提高.

2) 实测表明：掺气后射流泵极限流量比有所增加，由0.74增至0.77.掺气能改善射流泵空化性能，同时扩大了正常运行范围.

3) 未达到极限流量比时，掺气后扩散管段压力略有提升；极限工况下掺气，射流泵喉管压力提升，并且随着出口压力减低，压力提升范围向下游延伸至扩散管.

4) 极限工况时，空气自然吸入喉管，减免射流泵空化现象.实测表明：喉管及扩散管内的压力脉动明显减弱，运行稳定性改善明显.

5) 研究表明喉管环对称掺气，既能改善射流泵空化性能，对正常运行工况也有增效作用，较优的掺气率为2.0%～3.0%.此外，射流泵关键尺寸变化、掺气孔位置等因素均会影响环对称掺气性能，还需在今后进一步开展研究.