2.1 原型试验结果
图4对比了原型方案的转速-扬程与转速-效率关系,其中n0、H0、P0分别为设计点转速、扬程和轴功率。阀门开度恒定时,扬程随着转速升高而增大,扬程与转速成二次曲线关系。效率随转速升高先增大,当转速超过0.5n0时,效率达到30%且基本保持不变。
图4 原型方案转速与扬程、效率关系
Fig.4 Relationship between pump head, efficiency and rotating speed of the prototype scheme
调节泵出口流量,测得不同转速下的泵特性曲线如图5所示。一定转速下,随着流量系数的增大,泵出口压力持续下降,对应的扬程系数持续减小。在小流量系数时,扬程系数变化较缓慢; 随着流量系数的增加,扬程系数下降率逐渐增大。流量系数较小时,扬程系数变化较小,效率升高较快; 随着流量系数进一步增大,扬程系数下降加快,效率增加缓慢。在流量系数为0.096时,泵效率最高为52.5%,随后逐渐降低。
图5 原型方案变转速特性
Fig.5 Characteristic of the pump with variable rotate speed
图5表明,不同转速的Φ-Ψ曲线及Φ-η基本重合。基于泵效率计算公式,流量为转速n的一次函数、扬程为转速n的二次函数、电机输入功率为转速n的三次函数。由此可以近似对比不同转速的Φ-Ψ和Φ-η曲线关系。
2.2 叶轮前后口环改进结果
对比改进前后,在阀门开度不变时,离心泵的扬程、效率及轴功率关系。图6所示测试范围内,减小叶轮前、后口环间隙,泵扬程和效率升高,输入轴功率减小。其中泵效率升高约5%,扬程提升随转速增大而增大,电机轴功率减少量持续减小。
图6 原型与改进方案性能对比
Fig.6 Comparison of performance between the prototype and improved schemes
图7为相同转速下改进前后的Φ-Ψ及Φ-η特性曲线对比。
图7 原型与改进方案泵特性曲线对比
Fig.7 Comparison of pump characteristic curves between the prototype and improved schemes
在测试的流量范围内,口环间隙改进方案的扬程系数较原型方案整体升高,且扬程系数变化较小,设计工况点流量系数为0.03,流量系数在0.03以后扬程系数略有下降。改进方案泵扬程系数提高的主要原因是泄漏流量减小,叶轮入口主流与泄漏流掺混损失减小,通过叶轮的流量下降,叶轮出口与导叶轮间相互作用损失减弱。与原型方案相比,泵效率整体升高约5%。泵效率提升一方面由于泵的扬程系数增高; 另一方面,叶轮前后盖板处的泄漏流量降低导致的损耗减小,两者综合作用使得效率提升。
2.3 损耗分析
为进一步探讨口环间隙引起的损耗变化,
参考文献[20-21]对离心泵泄漏损耗及转子摩擦损耗进行分析。离心泵泄漏损耗占比w计算式为

式中:m·l为泄漏量; μ为流量系数; D1、D2分别为叶轮口环间隙内、外径; ΔH为间隙两端压差,详细计算公式见文献[20]。
口环泄漏流量系数μ计算式为

式中:ξ为间隙口环进口圆角系数; τ为口环间隙; l为口环间隙密封长度; λ为摩擦因数。
为分析变工况的泄漏损耗,考虑了旋转及间隙流动对λ的影响,有

式中λ0为不考虑旋转效应的摩擦因数,计算式为

式中Reu和Re分别为口环处旋转雷诺数及间隙内部流动雷诺数,计算式为

式中:vD1为口环处圆周速度; vax为口环间隙轴向速度,通过流量迭代计算获得; n为叶轮转速; ν为动力黏度。
转子摩擦损耗
参考文献[21]中圆柱表面与旋转圆盘摩擦损失进行分析,转子摩擦损耗考虑了首级和次级叶轮的前后口环、前后盖板圆盘的摩擦损耗。
对比不同转速的离心泵口环泄漏损耗及转子摩擦损耗(见图8),随着转速的升高,泄漏损耗先增加,在0.5n0后维持相对稳定; 摩擦损耗先略微升高,在0.3n0处达到最大值,随后呈缓慢下降趋势; 在0.5n0后,两种损耗占比相对稳定,这与泵转速在0.5n0以上时效率基本不变相对应。
图8 不同转速的口环相对泄漏流量、泵泄漏损耗占比及摩擦损耗占比对比
Fig.8 Comparison of relative leakage mass flow, leakage loss ratio and friction loss ratio of the pump at various speeds
由于原型方案的口环间隙较大,其泄漏损耗占比高; 改进方案后,泄漏损耗明显降低; 当口环间隙减小时,口环处的摩擦阻力增大,导致整个转子的摩擦损耗增加。此外,为保证离心泵安全稳定运行,转子和静子间须存在一定的间隙。
在同一转速下,随着泵流量系数的增加,口环泄漏引起的损耗和摩擦损耗持续减小(见图9)。对大口环间隙,泄漏损耗占比下降显著,摩擦损耗占比下降缓慢。减小口环间隙泄漏损耗急剧减小,但泄漏损耗占比下降速率明显低于大口环间隙方案,主要原因在于小口环间隙下,泵出口扬程变化较小使得口环泄漏压差变化不明显; 而大口环方案泵出口扬程下降,泄漏损耗减小,因而其损耗占比下降更快。
图9 同一转速下不同出口流量的口环相对泄漏量、泵泄漏损耗及摩擦损耗对比
Fig.9 Relative leakage mass flow, leakage loss ratio and friction loss ratio of the pump at various flow coefficients