海拔對離心泵吸入性能的影響研究論文
離心泵廣泛應用于各種油料的輸送，約占泵總量的70%~80%。在高原環(huán)境下，大氣壓力隨海拔的提升不斷降低，離心泵吸入口壓力相應減小，吸入能力下降影響泵正常工作，導致工作效率降低。定量分析離心泵在不同海拔下的工作性能及變化規律，應進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗，然而實(shí)地實(shí)驗受場(chǎng)地等因素限制，設備展開(kāi)、調試及撤收等較為困難，難以實(shí)施。因此，本文利用海拔與大氣壓力之間的關(guān)系，采用模擬的方法對離心泵在不同海拔下的工作性能進(jìn)行實(shí)驗研究。
1實(shí)驗裝置及方法
1.1實(shí)驗裝置
1.1.1泵
實(shí)驗中使用的泵主要是離心泵和真空泵。離心泵為非自吸式，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，為實(shí)驗研究對象；真空泵是水環(huán)式，由電動(dòng)機驅動(dòng)，用來(lái)對真空罐抽真空。
1.1.2含氣率測試儀
為準確快速地監測、采集實(shí)驗數據，采用了含氣率測試儀。該測試儀基于電容探測法設計而成，其基本原理是在管路上布置電容器，電容值的大小與氣液混合物的介電常數以及探針與液體接觸的長(cháng)度有關(guān)。當探針與被測流體接觸長(cháng)度發(fā)生變化，其輸出電容值也發(fā)生變化，通過(guò)測量輸出的電容值可推算出混合物的比率。含氣率測試儀主要包括電容傳感器和電容電壓轉換電路兩大部分。電容傳感器的兩極由2根涂有聚四氟乙烯涂層的探針?shù)摻z制成。電容電壓轉換電路由兩部分組成：一是電容電壓轉換部分，采用CAV424芯片將電容轉化為標準電壓信號，可輸出1~4 V標準電壓；二是放大電路，采用AM401將前面的輸出信號放大，提高采集系統的分辨率。
1.1.3真空罐
真空罐是實(shí)驗中控制泵吸入口真空度的重要設備，由Q235-B型鋼焊接而成，高3 m，直徑1.35 m，容積4.3 m3，凈重1 584 kg，設計溫度0 ℃，設計壓力1.1 MPa，耐壓實(shí)驗壓力1.38 MPa，最高允許工作壓力1.05 MPa。罐身配備有真空表及液位計，真空表的測量范圍為0~0.09 MPa，測量精度0.001 MPa；液位計最高液位為3 m，精度0.1 m。
1.2實(shí)驗流程
離心泵進(jìn)出口管線(xiàn)通過(guò)DN100鋼管與真空罐相連，形成一個(gè)封閉的循環(huán)系統。實(shí)驗時(shí)，將管路及離心泵內充滿(mǎn)清水，真空罐內注入約3/4的清水，實(shí)測水溫32~34 ℃。首先利用真空泵對真空罐抽真空，通過(guò)蝶閥的開(kāi)關(guān)控制真空管路與真空罐的互通，通過(guò)真空表的讀數來(lái)確定真空罐內的氣壓值，待真空罐內氣壓達到指定數值時(shí)，關(guān)閉蝶閥。通過(guò)控制真空度來(lái)模擬不同海拔下的.大氣壓力，實(shí)現離心泵吸入口壓力的調整，進(jìn)而實(shí)現泵高原吸入性能模擬實(shí)驗。
1.3 實(shí)驗方法
地理學(xué)中將平均海拔超過(guò)1 000 m的廣袤地區稱(chēng)為高原。機械設備通常將海拔2 500 m作為正常使用的分界點(diǎn)。為了能夠準確對比離心泵吸入性能的變化規律，本文選取海拔0，1 500，2 000，2 500，3 000 m作為實(shí)驗點(diǎn)。由表2可見(jiàn)，海拔每升高500 m，對應真空度約上升0.005 MPa。對應本文選取的海拔，真空罐內的真空度依次增大0，0.015，0.02，0.025，0.03 MPa。
由于真空度高于0.025 MPa、發(fā)動(dòng)機轉速超過(guò)1 600 r/min后，泵機組出現了劇烈抖動(dòng)現象，為避免繼續升速后損壞實(shí)驗設備，各海拔下均選取泵機組發(fā)動(dòng)機轉速為1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 600 r/min進(jìn)行實(shí)驗。泵由發(fā)動(dòng)機經(jīng)過(guò)增速器驅動(dòng)運行，增速比為1.52，對應的泵轉速為1 672，1 824，1 976，2 128，2 280，2 432 r/min，在各轉速下測試泵入口持液率數據。
實(shí)驗按照GB/T 3216—2005《回轉動(dòng)力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》[13]、GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規范 精密級》[14]和GB/T 13929—1992《水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機試驗方法》[15]等國家標準規定的方法進(jìn)行。
2實(shí)驗結果
按照上述方法開(kāi)展實(shí)驗，獲取離心泵在不同海拔和轉速下的泵吸入口持液率曲線(xiàn)。因持液率曲線(xiàn)較多且規律類(lèi)似，本文只列出各海拔下泵轉速為1 824和2 280 r/min時(shí)的持液率數據，并以海拔0 m、泵轉速2 280 r/min時(shí)的持液率數據曲線(xiàn)為例對實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。700 s時(shí)發(fā)動(dòng)機掛泵，因泵入口流體被吸走且后續流體未能及時(shí)補充，此時(shí)泵吸入口流體含量迅速降低，所以瞬間泵吸入口處氣體含量急劇增大，而后隨著(zhù)管內流體的不斷流動(dòng)補充至泵吸入口處，持液率慢慢回升直至基本穩定于一固定值。2 250 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機與泵連接斷開(kāi)，泵吸入口持液率上升，因泵停止運轉，而后續流體仍然繼續流動(dòng)，泵吸入口管線(xiàn)內瞬間充滿(mǎn)流體，造成吸入口持液率大幅上升，而后隨著(zhù)流體流速的下降，持液率數值恢復至實(shí)驗初始狀態(tài)。
3數據分析
整理泵在不同海拔和轉速下含氣率測試儀輸出的電壓值 β ，計算泵吸入口持液率 α 和泵吸入口持液率變化率 γ ，得到泵在不同真空度下的持液率變化規律。
離心泵吸入口持液率 α 和持液率變化率 γ 的數值可以發(fā)現，泵吸入口的持液率符合以下規律：①不同海拔、相同轉速下，泵的持液率隨海拔的提升不斷降低，即海拔越高，泵吸入口的持液率越低，海拔每升高500 m，泵吸入口持液率下降2%~5%；②相同海拔、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低。
泵轉速不變，海拔升高時(shí)，因大氣壓力 P 降低，而高差 Z 與動(dòng)能 0.5ρv入2均不變，導致離心泵吸入口壓力 P入降低，離心泵的吸入能力下降，泵吸入口持液率降低。海拔不變，泵轉速升高時(shí)，泵吸入口流體流速升高，流體動(dòng)能升高，若要繼續保持方程兩端平衡，則吸入口壓力與流體密度至少有一項需要減��；若吸入口壓力降低，則與第一種情況相同；若流體密度減小，則說(shuō)明液體內混入氣體，即吸入口持液率降低。
4結論
通過(guò)一系列不同海拔和轉速下泵高原吸入性能模擬實(shí)驗，獲取了離心泵在不同海拔和轉速下泵吸入口持液率，生成了泵的持液率變化曲線(xiàn)，分析實(shí)驗數據得出以下結論：
1）不同海拔、相同轉速下，泵的持液率隨海拔的提升不斷降低，即海拔越高，泵吸入口持液率越低，海拔高度每升高500 m，泵吸入口持液率下降2%~5%；
2）相同海拔、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低；
3）隨著(zhù)泵吸入口持液率降低，泵內吸入氣體增加，泵內流體流動(dòng)狀態(tài)不穩定，泵出入口壓力及流量波動(dòng)劇烈，泵機組工作狀態(tài)趨于不穩定。
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