双叶片动静旋涡测量

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本文作者：刘厚林 杨东升 谈明高 王凯 庄宿国 单位：江苏大学流体机械工程技术研究中心

在离心泵蜗壳的设计中，通常根据角动量守恒原理将其设计为螺旋形，从而使其具有几何不对称的特性，同时由于叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用，离心泵内流动沿周向分布的差异很大，具有明显的不均匀性，并产生了压力脉动和流动噪声［1－3］．当叶片相对隔舌的位置不同时，蜗壳和叶轮流道内流场的压力场和速度场都有很大的变化［4－6］．目前主要采用数值模拟的方法对离心泵蜗壳与叶轮的动静干涉进行研究［7－9］，尚未完全掌握其内流场的真实状况．PIV技术具有全流场的快速测量、直观、不干扰流场等优点，近年来在泵内部流场的研究中得到了广泛的应用［10－12］．文中应用三维PIV技术对一隔舌式双叶片离心泵的内流场进行测量，研究其叶轮与蜗壳的动静干涉作用．

1试验装置

1.1试验台双叶片离心泵内流场测试的开式试验装置如图1所示，采用变频控制柜对电动机进行无级调速，电磁流量计测流量，压力变送器测扬程，三相PWM专用测试仪测功率．输送流体为清水．

1.2试验用泵试验用双叶片离心泵的结构如图2所示，其主要参数分别为流量Q=32m3/h，扬程H=2.38m，转速n=750r/min，比转数ns=134，吸水室进口直径Ds=80mm，叶轮进口直径Dj=90mm，叶轮出口直径D2=200mm，叶轮出口宽度b2=47mm，叶片进口安放角β1=18.3°，叶片出口安放角β2=30°，蜗壳基圆直径D3=212mm，蜗壳进口宽度b3=77mm．泵的叶轮和蜗壳均采用有机玻璃加工，其中蜗壳采用等速度矩法设计，断面是矩形，型线为对数螺旋线．有机玻璃质地均匀，各个表面均抛光处理，粗糙度达到3.2级，并将靠近吸水室处叶轮和蜗壳的非测试面进行涂黑处理以降低壁面反光的影响。

1.33D-PIV测试系统采用美国TSI公司2009年的商用三维PIV系统［13］，主要包括:YAG200－NWL型脉冲激光器，单脉冲能量为200mJ;630059POWERVIEW4MP跨帧CCD相机，分辨率为2k×2k;图像采集及分析系统Insight3G，查问区最小可达4×4个像素;610035型同步器;用来将同步触发信号传送给同步器的同步触发控制器主机和光纤传输转换器;610015型光臂;片光源透镜组等．

2试验方案

双叶片离心泵在额定转速为750r/min下的最优工况流量Qd为32m3/h．文中选取Qd工况下的3个截面进行PIV测量，其中截面1距离前盖板5mm，截面3为叶轮的中间截面，截面3距离后盖板5mm，如图3所示．每个截面测量9个不同的叶片位置，分别为φ=0°，28°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，其中φ为流道的叶片压力面出口与X轴负方向的夹角，φ=28°时为流道的叶片压力面最靠近隔舌的位置．两台CCD相机的布置如图4所示．试验时CCD相机的偏角θ取20°．示踪粒子选用跟随性、散射性较好的Al2O3粉末．由于PIV试验测量的是一个封闭的环状旋转流场，标定困难，无法将标定靶盘放在泵体里进行标定．故采用了等效标定方法标定，即把标定靶盘放在泵体外的水箱内进行标定．标定水箱由水箱和挡板组成，是有机玻璃加工而成，其材质与蜗壳和叶轮相同，水箱的壁厚与蜗壳的相等，挡板的厚度与叶轮后盖板相等．将水箱与泵平行放置，标定靶盘放在需要拍摄的平面，将布置好的CCD相机平移到水箱处进行三维标定，之后移回到泵的测量区域［13－14］．

3试验结果及分析

3.1数据采集及处理在Insight3G软件中设置相关试验参数，采用粒子图像序列采集方式，每个组采集30组互相关图像．运用互相关技术，对每组30对图像进行处理，并对粒子图像进行修正．同时将得到的30个速度向量文件导入Tecplot软件中进行平均处理．使用自编软件将得到的三维绝对速度进行速度分解，从而得到相对速度与轴向速度，并导入Tecplot软件中进行处理．

3.2叶轮内相对速度分布由于3个截面的相对速度流场随隔舌变化情况比较相似，文中以中间截面为例，对其相对速度流场进行分析，中间截面流场的相对速度和流线如图5所示．由图5可以看出:随着叶片位置的不同，中间截面的相对速度流场也大不相同;当φ由28°到45°时，叶片在隔舌与蜗壳1断面间，叶轮流道处于隔舌的右边，此处蜗壳断面的面积最小，所以叶轮流道的流量较小，相对速度流场最优(见图5b－c);当φ由45°到225°时，随着叶轮的旋转，流道的压力面远离隔舌，由于蜗壳断面的面积逐渐增大，叶轮流道的流量逐渐增大，进口冲角减小，流体流向叶片吸力面，使叶片压力面进口处产生流动分离并发展为旋涡，增加了水力损失(见图5c－g);当φ由225°到28°时，随着叶轮的旋转，流道的压力面逐渐靠近隔舌，叶轮流道的流量减小，冲角逐渐增大，压力面的流动分离减弱，流道进口的旋涡逐渐减弱并消失，流道内流动变得顺利(见图5g－b)．3个截面的叶轮出口相对速度如图6所示．可以看出:当流道相对隔舌的位置不同时，3个截面的出口相对速度各不相同;当φ由0°到45°时，相比其他截面，前盖板附近靠近吸力面处的出口相对速度很小，形成了射流－尾迹结构，同时靠近吸力面流道出口处的相对速度从截面1到截面3逐渐增大(见图6a－c);当φ由45°到180°时，随着叶片压力面远离隔舌，前盖板附近靠近吸力面处的出口相对速度增大，各截面的压力面附近的出口相对速度减小，流场趋于平稳，同时流道靠近后盖板处的出口相对速度较其他两个截面大(见图6c－f);当φ由180°到360°(即0°)时，随着叶片压力面靠近隔舌，各截面压力面附近的出口相对速度继续减小，吸力面附近的出口相对速度逐渐增大(见图6f－a)．

3.3中间截面叶轮流道内轴向速度分布中间截面叶轮流道的轴向速度分布如图7所示，对流道中4个半径处(见图3)的轴向速度进行了分析，其中R为叶轮出口半径．可以看出:随着叶片相对隔舌位置的不同，中间截面内流道的轴向速度各不相同;大部分情况下流道进口处(0.50R和0.65R)具有较强的轴向速度，流道的中部和出口处(0.85R和1.00R)的轴向速度则很小;当φ由0°到90°时，在流道进口0.50R处的流道中部靠近吸力面有很大的正向轴向速度，而在0.65R处吸力面附近的负向轴向速度则逐渐减弱至变为正向(见图7a－d);随着φ的继续增大，流道进口的轴向速度逐渐减弱，轴向速度流场趋于平稳，当φ=315°时，流道内轴向速度最均匀(见图7d－i)．

4结论

1)当叶片随旋转远离隔舌时，叶轮流道的流量逐渐增大，进口冲角减小，压力面出现流动分离并产生旋涡．当叶片出口边最靠近隔舌时，流道的流量最小，速度场最优．2)叶轮流道出口的相对速度随着与隔舌距离的变化而变化．当叶片出口边在隔舌与蜗壳断面1之间时，在流道出口的前盖板靠近吸力面处出现了低速区，形成了射流－尾迹结构．随着φ的增大，各截面的压力面附近出口相对速度逐渐减小，吸力面附近出口相对速度逐渐增大．3)大部分情况下，流道进口具有较强的轴向速度，而流道的中部和出口处轴向速度很弱．当φ由0°到90°时，在流道进口0.50R处的流道中部靠近吸力面有很大的正向轴向速度，而在0.65R处吸力面附近的负向轴向速度则逐渐减弱至变为正向．随着φ的继续增大，流道进口处的轴向速度逐渐减弱，流场的轴向速度趋于平稳．