用激光流速儀對低比速離心泵葉輪內流場的試驗研究.docx

1、笫12卷第4期1991年11月工程熱物理學報JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSVof.12.No.4Nov.,1991用激光流速儀對低比速離心泵葉輪內流場的試驗研究薛敦松孫志金盧?。ㄊ痛髮W）（石油勘探開發(fā)研究浣）本文采用二維氯離子激光流速儀對油田低比速60注水泵葉輪內流場進行測量，介質為水，試驗給出了速度向母圖、湍流度等，初步驗證了射流一尾跡結構.EckardtD.針對半開式氣壓機徑流式葉輪，用兩維激光流速儀測定了葉輪內流場山.較為全面地介紹了葉輪內流場，是國外描述葉輪流場代表作之一.但是油田用泵多為低比轉速，%-4570,葉片數(shù)為4一7,輸油時粘度大，存在強

2、烈分離態(tài)，目前泵的效率較低，近年雖已有多種三元葉柵計算方法,但在計算中對尾跡區(qū)起始點及其范圍的確定仍借助一元法的滑移系數(shù)，或采用其他的假設.為此選擇少=60的注水泵次級葉輪，用激光流速儀洌量葉輪內流場，以便了解射流一尾跡流動的實際物理模型，積累經(jīng)驗，對于提高離心泵葉輪的設計水平以及理論分析計算的準確性都具有重要的指導作用.試驗用葉輪玖一326毫米.b214亳米,7,&L37°、試驗工況在額定點流量為78立方米/時，單級揚程32米，轉速1480PRM,進行了Q-=1,00叩“0.8。響，0.6及四種工況的葉輪內流場測量.為便于激光測量，泉殼與外殼均開設有透光窗口，為了減少激光通

3、過泉蓋葉輪前蓋時因均為曲面造成折射偏差，將透光形狀為平面圖1葉輪試件與激光流速儀示意圖I過流斷面，2,流線，3,葉輪后蓋透光窗口，、4.泵后蓋透光窗口，5.發(fā)射并按收光學單元,6.激光器，7.信號接收器,8.數(shù)據(jù)處理機AST286圖1葉輪試件與激光流速儀示意圖I過流斷面，2,流線，3,葉輪后蓋透光窗口，、4.泵后蓋透光窗口，5.發(fā)射并按收光學單元,6.激光器，7.信號接收器,8.數(shù)據(jù)處理機AST286圖2溜試系統(tǒng)示意圖I.D160-150試瞼案總成,2.轉速轉矩傳感儀,3.壓力表,4,渦輪流量計（3寸），5.流量積算儀,6,轉速轉矩顯示儀,7.試驗泉電機（18.5kW）8.3寸閥門，9.空計，

4、10,循環(huán)水皤,”，前置系電機,0.帕置系本文瞥于199。年11月在南京召開的中國工程熱物理學會弟七屆年會上宣讀4期薛敦松等：用激光流速儀對低比速窗心泵葉輪內流場的試驗研究379的窗口開設在泵后蓋與葉輪后蓋上.測點的布置見圖1,對葉輪£流面，從入口到出口分為13個過流斷面，從后蓋板到前蓋板又分為I至VII個流緘，共91個測點.試會臺為閉環(huán)系統(tǒng)，沔試中為防止金屬儲水靖閥門等鐵銹對有機玻漓窗口的污染,特加入亞硝酸鈉.試驗臺示意圖見圖2.測試儀器為丹麥產55x型三束光兩維激光流速儀，功率5瓦，光路系統(tǒng)為兩色光，波長分別為488.0A及514.5A,后散射接收系統(tǒng)，采用計數(shù)器信號處理裝置，數(shù)

5、據(jù)處理用AST286微機.測量時，從激光源到達所指定的測點需經(jīng)過空氣，泵蓋上有機玻漓窗口、泵蓋內水流，葉輪上有機玻璃窗口，最后才到達葉輪內部流場，由于各層折射率不同，光藁幾經(jīng)折射，最后到匯交的點和僅有一個介質時的交點相差較大，因此需換算后方可確定激光器三維坐標架位置量和三束光匯交的預定點之間的相關量，本試驗裝置激光束穿過不同介質的折射示意圖如圖3(a)所示.圖中萬8為從泵盆到葉輪內預定測點的距離ABf為激光器坐標架在空氣環(huán)境下位移最.本試驗用激光器聚焦透鏡的E=4。，可推導出：業(yè)2=-cos£a0.751796.才Bn2"jsinE式中”53分別為激光束在空氣中與水中的折射

6、率.計算表明，如預定內流場測點向前移動1亳米，激光器坐標架需相應位移0.751796毫米，便可確保激光束達到預定測點.H(H,H,分別為泵蓋囪口案內液流與葉輪溫育I嘆度圖3在測量時為確保精度，檢測數(shù)據(jù)處理器及微機采集系統(tǒng)可靠性，預先對某已知速度的轉動刖體進行測量，以便調整數(shù)據(jù)采集與處理軟件中參數(shù)的設定.本試驗用小電機馳動一個恒速旋轉的黑色帶齒圓盤，將激光束聚焦在圓盤上外徑或某半徑的圓周上，調整儀表參數(shù)設定值，使激光流速儀采集的速度值與剛體計算的速度值一致，則表明儀表上參數(shù)沒定為合理，其示意圖如圖3(b),本試驗誤差對/點，V：實測值與計算值分別為1S.438米/秒與15.446米/秒，誤差僅0

7、.05%,Vv值分別為0.0008與0米/秒.可忽略不計.對B點，VK值實測與計算值分別為10.925米/秒與10.922米/秒，丹值分別為10.931米/秒與10.922米/秒，誤差在0,。8%由于儀器中微機更新，由原PDC-l1改為采用AST286,新的軟件與原先軸編碼器同步裝置不匹配，故在昂流面上湖點坐標號與該點兩維派速未能直接呼應，使數(shù)據(jù)分析產生一定困難，但利用新軟件的功能，根據(jù)數(shù)據(jù)中流速概率仍可確定出壓力面P,與吸力面S,的速度值.測試中每點均反復測定兩遍，每點都有80組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括有坐標,兩維速度及相應采樣時間.采集得試驗數(shù)據(jù)較為豐富，但限于時間，本文僅將部分結380工程熱物

8、理學報12卷果整理如下.圖4Q，=l.0Qopt幾個過流斌面速度分布圖:一圖4為。時幾個主要斷面的徑向相對速度矢量圖，以計表示，P,為壓力面,S,為吸力面，）為葉輪寬度，x-0表示位于前蓋板，*=b表示位于后蓋板.從圖4表明，在入口No.2斷面上，從前蓋板到后蓋板的流速較均勻，從壓力面到吸力面的速度梯度為正值，符合勢流流場的典型特征.但是在No.4斷面，在離前蓋板0.263,處，靠近S,面附近，流速有突然下降.但從壓力面到吸力面的速度仍存在正的梯度，不過從葉片負荷上較No.2斷面略有增加，所以No.4斷面的流場也基本為勢流特征.在No.5斷面，即液流從葉輪入口軸向拐向徑向處，發(fā)生流場畸變，位置

9、大約在離開前蓋板0.373/處，另外最小速度并不位于P,處，而是在已與S,的中間.這可以認為是液流通過葉輪入口從軸向拐向徑向的曲率效應使液流在前蓋板與吸力面附近產生分離脫流.這個測試結果和EckardcD.的結果相似，但畸變程度較之為輕，可能是本試件葉輪入口處葉片的扭曲程度較輕之故.在此之后的各過流斷面流場又逐漸恢復勢流特征.圖5為Q-l.OQgt工況在&流面，沿后蓋板到前蓋板，從葉輪入口到出口各流線上絲流速分布.在入口附近流速極不穩(wěn)定并湖得湍流度達33.4%42.7%，從入口B,到出口的速度是逐漸下降的，但最低值并不在出口處，并且流速不是均布.圖中粗線為理論計算值.表明理論值與試驗實

10、測值大體吻合.但我們曾注意到在Q-12。叩時，靠近前蓋板的吸入口處曾發(fā)現(xiàn)負速度，表明該處存在渦流，其速度分布更不均勻.以上都說明4瘁薛敦松等：用激光流速儀對低比速離心泵葉輪內流場的試驗研究381圖5Q=l.OQopt&流面七條流線理論的與試驗的WJU,圖低比速葉輪在吸入口前蓋板處，前蓋板的R值與葉片葉型設計需要加以注意.圖6為。=IO。*”0.6Q°p,及1.2。小三種工況，在&流面上方向的湍流度.在葉輪吸入口處，無論是葉輪前蓋板或葉輪后蓋板，測得湍流度都比預計值大的多，高達33一42%,這可以理解為液流進入葉輪吸入口時，一方面沖向后美板，方面又從軸向拐向徑向，因此造

11、成在吸入口前后蓋板處高湍流度.在N<x8斷面之后湍流度明顯下降.注意到在。-時在葉輪入口前蓋板處液流湍流度高達65%.圖7表示Q=L0Q°p,Q=0.6在No.12斷面處的前后蓋板所，采集的W,徑向流速概率分布圖，橫坐標為速度縱坐標為.各種流速下所采集到的任一流速所占的百分數(shù).當采集到的低速的概率較高時，可解析為存在尾跡現(xiàn)象.根據(jù)以尾跡區(qū)平均速度除以射流區(qū)平均速度可定圖6£流面不同工況下W,方向的湍流底義為射流-尾跡結構強度水平，則從圖7表明從前蓋板到后蓋板的射流-尾跡結構強度由強逐漸減弱,在刖蓋板存生較強尾跡區(qū).另外曾對No.12,No.13兩個過流斷面低速尾跡區(qū)進

12、行核算表明，對本試件”，一60型低比速葉輪，在Q=1.0。叩，時，尾跡區(qū)在出口處約占18%,對。=0.69。,“則占24%左右.察合所觀察到的流場，對瑪=60葉輪，可得出初步的流動物理模型供討論.1. 在葉輪吸入n,液流從軸向拐向徑向時，在前蓋板與吸力面處存在低速區(qū)，其范圍大體在離前蓋板0.14-0.38葉輪寬度左右.速度最低值的位置并不在壓力面而是偏于壓力面的中間流面上.2. 在葉輪吸入口，在前蓋板附近，流速通它為正值，但隨流量增大，在。=1.2。吵時.發(fā)現(xiàn)有負速度，且湍流度較高.可以設想在吸入口前蓋板處，當液流從軸向拐向徑向時，382382工程熱物理學報(洪)saaEtsEsgdEesVe

13、clocity024VeclocityWrm/s)oo21wsJidEes0VeclccitvX-a*(m/s)024VeclocityWrm/s)圖7速度概率示例存在較為嚴重渦流回流.-3. 在&流面，流動不穩(wěn)定區(qū)先發(fā)生在吸入口的后蓋板，當液流從軸向拐向徑向時，不穩(wěn)定區(qū)向前蓋板發(fā)展.此時前后蓋板液流湍流度都較大.當液流拐向徑向后，不穩(wěn)定區(qū)則略靠近前蓋板，但在出口處，不穩(wěn)定區(qū)又略靠近后蓋板.4. 從采集的速度分布概率表明，即使在額定工況，在葉輪出口處存在射流-尾跡靖構，在偏離額定工況時則加劇.對于名=60葉輪，在Q-時，出口處低速區(qū)范圍約為18%,隨流量減少而增大，當Q-Q6QOft時

14、，出口處低速區(qū)范圍約為24%.更詳盡的內流場描述與分析將陸續(xù)報導.測試中鄧慶華、閻旭、孟慶昆等同志參加了工作，特致謝.參#文獻1Eckardt,D.,FlowioOntrifugatCompressor,LectureSeries1984-07,VonKarmanIntcituteforFluidDynamics.2WittigS.eta】.，I.ascr-DopplerStudiesofWakeEffacedFlowFieldinaTurbineCascade.ASME,1972.31沈天赧，離心葉輪的內流坊理論基礎浙江大學出版壯,1986.4期薛敦松等：用激光流速儀對低比速煎心系葉輪內流場的試監(jiān)研究383THEFLOWINVESTIGATIONINSIDEACENTRIFUGALPUMPIMPELLERWITHLASERDOPPLERVELOCIMETERXueDunsongSunZijingLuJun(UnivertiryofPetroleum,Beifing)Theflowdis