海拔對(duì)離心泵吸入性能的影響研究論文
離心泵廣泛應(yīng)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(yīng)減小，吸入能力下降影響泵正常工作，導(dǎo)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(guī)律，應(yīng)進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，然而實(shí)地實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地等因素限制，設(shè)備展開、調(diào)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(duì)離心泵在不同海拔下的工作性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
1實(shí)驗(yàn)裝置及方法
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
1.1.1泵
實(shí)驗(yàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象；真空泵是水環(huán)式，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用來對(duì)真空罐抽真空。
1.1.2含氣率測(cè)試儀
為準(zhǔn)確快速地監(jiān)測(cè)、采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用了含氣率測(cè)試儀。該測(cè)試儀基于電容探測(cè)法設(shè)計(jì)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(shù)以及探針與液體接觸的長(zhǎng)度有關(guān)。當(dāng)探針與被測(cè)流體接觸長(zhǎng)度發(fā)生變化，其輸出電容值也發(fā)生變化，通過測(cè)量輸出的電容值可推算出混合物的比率。含氣率測(cè)試儀主要包括電容傳感器和電容電壓轉(zhuǎn)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鋼絲制成。電容電壓轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成：一是電容電壓轉(zhuǎn)換部分，采用CAV424芯片將電容轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，可輸出1~4 V標(biāo)準(zhǔn)電壓；二是放大電路，采用AM401將前面的輸出信號(hào)放大，提高采集系統(tǒng)的分辨率。
1.1.3真空罐
真空罐是實(shí)驗(yàn)中控制泵吸入口真空度的重要設(shè)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(shè)計(jì)溫度0 ℃，設(shè)計(jì)壓力1.1 MPa，耐壓實(shí)驗(yàn)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(jì)，真空表的測(cè)量范圍為0~0.09 MPa，測(cè)量精度0.001 MPa；液位計(jì)最高液位為3 m，精度0.1 m。
1.2實(shí)驗(yàn)流程
離心泵進(jìn)出口管線通過DN100鋼管與真空罐相連，形成一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將管路及離心泵內(nèi)充滿清水，真空罐內(nèi)注入約3/4的清水，實(shí)測(cè)水溫32~34 ℃。首先利用真空泵對(duì)真空罐抽真空，通過蝶閥的開關(guān)控制真空管路與真空罐的互通，通過真空表的讀數(shù)來確定真空罐內(nèi)的氣壓值，待真空罐內(nèi)氣壓達(dá)到指定數(shù)值時(shí)，關(guān)閉蝶閥。通過控制真空度來模擬不同海拔下的.大氣壓力，實(shí)現(xiàn)離心泵吸入口壓力的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵高原吸入性能模擬實(shí)驗(yàn)。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
地理學(xué)中將平均海拔超過1 000 m的廣袤地區(qū)稱為高原。機(jī)械設(shè)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(zhǔn)確對(duì)比離心泵吸入性能的變化規(guī)律，本文選取海拔0，1 500，2 000，2 500，3 000 m作為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。由表2可見，海拔每升高500 m，對(duì)應(yīng)真空度約上升0.005 MPa。對(duì)應(yīng)本文選取的海拔，真空罐內(nèi)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(jī)轉(zhuǎn)速超過1 600 r/min后，泵機(jī)組出現(xiàn)了劇烈抖動(dòng)現(xiàn)象，為避免繼續(xù)升速后損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，各海拔下均選取泵機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 600 r/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。泵由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過增速器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，增速比為1.52，對(duì)應(yīng)的泵轉(zhuǎn)速為1 672，1 824，1 976，2 128，2 280，2 432 r/min，在各轉(zhuǎn)速下測(cè)試泵入口持液率數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)按照GB/T 3216—2005《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級(jí)和2級(jí)》[13]、GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范 精密級(jí)》[14]和GB/T 13929—1992《水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機(jī)試驗(yàn)方法》[15]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照上述方法開展實(shí)驗(yàn)，獲取離心泵在不同海拔和轉(zhuǎn)速下的泵吸入口持液率曲線。因持液率曲線較多且規(guī)律類似，本文只列出各海拔下泵轉(zhuǎn)速為1 824和2 280 r/min時(shí)的持液率數(shù)據(jù)，并以海拔0 m、泵轉(zhuǎn)速2 280 r/min時(shí)的持液率數(shù)據(jù)曲線為例對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行說明。700 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)掛泵，因泵入口流體被吸走且后續(xù)流體未能及時(shí)補(bǔ)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，而后隨著管內(nèi)流體的不斷流動(dòng)補(bǔ)充至泵吸入口處，持液率慢慢回升直至基本穩(wěn)定于一固定值。2 250 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與泵連接斷開，泵吸入口持液率上升，因泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而后續(xù)流體仍然繼續(xù)流動(dòng)，泵吸入口管線內(nèi)瞬間充滿流體，造成吸入口持液率大幅上升，而后隨著流體流速的下降，持液率數(shù)值恢復(fù)至實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)。
3數(shù)據(jù)分析
整理泵在不同海拔和轉(zhuǎn)速下含氣率測(cè)試儀輸出的電壓值 β ，計(jì)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(guī)律。
離心泵吸入口持液率 α 和持液率變化率 γ 的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，泵吸入口的持液率符合以下規(guī)律：①不同海拔、相同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，泵的持液率隨轉(zhuǎn)速提高呈降低趨勢(shì)，即泵的轉(zhuǎn)速越高，泵吸入口持液率越低。
泵轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(xù)保持方程兩端平衡，則吸入口壓力與流體密度至少有一項(xiàng)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，則說明液體內(nèi)混入氣體，即吸入口持液率降低。
4結(jié)論
通過一系列不同海拔和轉(zhuǎn)速下泵高原吸入性能模擬實(shí)驗(yàn)，獲取了離心泵在不同海拔和轉(zhuǎn)速下泵吸入口持液率，生成了泵的持液率變化曲線，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：
1）不同海拔、相同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，泵的持液率隨轉(zhuǎn)速提高呈降低趨勢(shì)，即泵的轉(zhuǎn)速越高，泵吸入口持液率越低；
3）隨著泵吸入口持液率降低，泵內(nèi)吸入氣體增加，泵內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，泵出入口壓力及流量波動(dòng)劇烈，泵機(jī)組工作狀態(tài)趨于不穩(wěn)定。
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