用激光流速仪对低比速离心泵叶轮内流场的试验研究.docx

1、笫12卷第4期1991年11月工程热物理学报JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSVof.12.No.4Nov.,1991用激光流速仪对低比速离心泵叶轮内流场的试验研究薛敦松孙志金卢俊（石油大学）（石油勘探开发研究浣）本文采用二维氯离子激光流速仪对油田低比速60注水泵叶轮内流场进行测量，介质为水，试验给出了速度向母图、湍流度等，初步验证了射流一尾迹结构.EckardtD.针对半开式气压机径流式叶轮，用两维激光流速仪测定了叶轮内流场山.较为全面地介绍了叶轮内流场，是国外描述叶轮流场代表作之一.但是油田用泵多为低比转速，%-4570,叶片数为4一7,输油时粘度大，存在强

2、烈分离态，目前泵的效率较低，近年虽已有多种三元叶栅计算方法,但在计算中对尾迹区起始点及其范围的确定仍借助一元法的滑移系数，或采用其他的假设.为此选择少=60的注水泵次级叶轮，用激光流速仪洌量叶轮内流场，以便了解射流一尾迹流动的实际物理模型，积累经验，对于提高离心泵叶轮的设计水平以及理论分析计算的准确性都具有重要的指导作用.试验用叶轮玖一326毫米.b214亳米,7,&L37°、试验工况在额定点流量为78立方米/时，单级扬程32米，转速1480PRM,进行了Q-=1,00叩“0.8。响，0.6及四种工况的叶轮内流场测量.为便于激光测量，泉壳与外壳均开设有透光窗口，为了减少激光通

3、过泉盖叶轮前盖时因均为曲面造成折射偏差，将透光形状为平面图1叶轮试件与激光流速仪示意图I过流断面，2,流线，3,叶轮后盖透光窗口，、4.泵后盖透光窗口，5.发射并按收光学单元,6.激光器，7.信号接收器,8.数据处理机AST286图1叶轮试件与激光流速仪示意图I过流断面，2,流线，3,叶轮后盖透光窗口，、4.泵后盖透光窗口，5.发射并按收光学单元,6.激光器，7.信号接收器,8.数据处理机AST286图2溜试系统示意图I.D160-150试睑案总成,2.转速转矩传感仪,3.压力表,4,涡轮流量计（3寸），5.流量积算仪,6,转速转矩显示仪,7.试验泉电机（18.5kW）8.3寸阀门，9.空计，

4、10,循环水皤,”，前置系电机,0.帕置系本文瞥于199。年11月在南京召开的中国工程热物理学会弟七届年会上宣读4期薛敦松等：用激光流速仪对低比速窗心泵叶轮内流场的试验研究379的窗口开设在泵后盖与叶轮后盖上.测点的布置见图1,对叶轮£流面，从入口到出口分为13个过流断面，从后盖板到前盖板又分为I至VII个流缄，共91个测点.试会台为闭环系统，沔试中为防止金属储水靖阀门等铁锈对有机玻漓窗口的污染,特加入亚硝酸钠.试验台示意图见图2.测试仪器为丹麦产55x型三束光两维激光流速仪，功率5瓦，光路系统为两色光，波长分别为488.0A及514.5A,后散射接收系统，采用计数器信号处理装置，数

5、据处理用AST286微机.测量时，从激光源到达所指定的测点需经过空气，泵盖上有机玻漓窗口、泵盖内水流，叶轮上有机玻璃窗口，最后才到达叶轮内部流场，由于各层折射率不同，光藁几经折射，最后到汇交的点和仅有一个介质时的交点相差较大，因此需换算后方可确定激光器三维坐标架位置量和三束光汇交的预定点之间的相关量，本试验装置激光束穿过不同介质的折射示意图如图3(a)所示.图中万8为从泵盆到叶轮内预定测点的距离ABf为激光器坐标架在空气环境下位移最.本试验用激光器聚焦透镜的E=4。，可推导出：业2=-cos£a0.751796.才Bn2"jsinE式中”53分别为激光束在空气中与水中的折射

6、率.计算表明，如预定内流场测点向前移动1亳米，激光器坐标架需相应位移0.751796毫米，便可确保激光束达到预定测点.H(H,H,分别为泵盖囱口案内液流与叶轮温育I叹度图3在测量时为确保精度，检测数据处理器及微机采集系统可靠性，预先对某已知速度的转动刖体进行测量，以便调整数据采集与处理软件中参数的设定.本试验用小电机驰动一个恒速旋转的黑色带齿圆盘，将激光束聚焦在圆盘上外径或某半径的圆周上，调整仪表参数设定值，使激光流速仪采集的速度值与刚体计算的速度值一致，则表明仪表上参数没定为合理，其示意图如图3(b),本试验误差对/点，V：实测值与计算值分别为1S.438米/秒与15.446米/秒，误差仅0

7、.05%,Vv值分别为0.0008与0米/秒.可忽略不计.对B点，VK值实测与计算值分别为10.925米/秒与10.922米/秒，丹值分别为10.931米/秒与10.922米/秒，误差在0,。8%由于仪器中微机更新，由原PDC-l1改为采用AST286,新的软件与原先轴编码器同步装置不匹配，故在昂流面上湖点坐标号与该点两维派速未能直接呼应，使数据分析产生一定困难，但利用新软件的功能，根据数据中流速概率仍可确定出压力面P,与吸力面S,的速度值.测试中每点均反复测定两遍，每点都有80组数据，每组数据包括有坐标,两维速度及相应采样时间.采集得试验数据较为丰富，但限于时间，本文仅将部分结380工程热物

8、理学报12卷果整理如下.图4Q，=l.0Qopt几个过流斌面速度分布图:一图4为。时几个主要断面的径向相对速度矢量图，以计表示，P,为压力面,S,为吸力面，）为叶轮宽度，x-0表示位于前盖板，*=b表示位于后盖板.从图4表明，在入口No.2断面上，从前盖板到后盖板的流速较均匀，从压力面到吸力面的速度梯度为正值，符合势流流场的典型特征.但是在No.4断面，在离前盖板0.263,处，靠近S,面附近，流速有突然下降.但从压力面到吸力面的速度仍存在正的梯度，不过从叶片负荷上较No.2断面略有增加，所以No.4断面的流场也基本为势流特征.在No.5断面，即液流从叶轮入口轴向拐向径向处，发生流场畸变，位置

9、大约在离开前盖板0.373/处，另外最小速度并不位于P,处，而是在已与S,的中间.这可以认为是液流通过叶轮入口从轴向拐向径向的曲率效应使液流在前盖板与吸力面附近产生分离脱流.这个测试结果和EckardcD.的结果相似，但畸变程度较之为轻，可能是本试件叶轮入口处叶片的扭曲程度较轻之故.在此之后的各过流断面流场又逐渐恢复势流特征.图5为Q-l.OQgt工况在&流面，沿后盖板到前盖板，从叶轮入口到出口各流线上丝流速分布.在入口附近流速极不稳定并湖得湍流度达33.4%42.7%，从入口B,到出口的速度是逐渐下降的，但最低值并不在出口处，并且流速不是均布.图中粗线为理论计算值.表明理论值与试验实

10、测值大体吻合.但我们曾注意到在Q-12。叩时，靠近前盖板的吸入口处曾发现负速度，表明该处存在涡流，其速度分布更不均匀.以上都说明4瘁薛敦松等：用激光流速仪对低比速离心泵叶轮内流场的试验研究381图5Q=l.OQopt&流面七条流线理论的与试验的WJU,图低比速叶轮在吸入口前盖板处，前盖板的R值与叶片叶型设计需要加以注意.图6为。=IO。*”0.6Q°p,及1.2。小三种工况，在&流面上方向的湍流度.在叶轮吸入口处，无论是叶轮前盖板或叶轮后盖板，测得湍流度都比预计值大的多，高达33一42%,这可以理解为液流进入叶轮吸入口时，一方面冲向后美板，方面又从轴向拐向径向，因此造

11、成在吸入口前后盖板处高湍流度.在N<x8断面之后湍流度明显下降.注意到在。-时在叶轮入口前盖板处液流湍流度高达65%.图7表示Q=L0Q°p,Q=0.6在No.12断面处的前后盖板所，采集的W,径向流速概率分布图，横坐标为速度纵坐标为.各种流速下所采集到的任一流速所占的百分数.当采集到的低速的概率较高时，可解析为存在尾迹现象.根据以尾迹区平均速度除以射流区平均速度可定图6£流面不同工况下W,方向的湍流底义为射流-尾迹结构强度水平，则从图7表明从前盖板到后盖板的射流-尾迹结构强度由强逐渐减弱,在刖盖板存生较强尾迹区.另外曾对No.12,No.13两个过流断面低速尾迹区进

12、行核算表明，对本试件”，一60型低比速叶轮，在Q=1.0。叩，时，尾迹区在出口处约占18%,对。=0.69。,“则占24%左右.察合所观察到的流场，对玛=60叶轮，可得出初步的流动物理模型供讨论.1. 在叶轮吸入n,液流从轴向拐向径向时，在前盖板与吸力面处存在低速区，其范围大体在离前盖板0.14-0.38叶轮宽度左右.速度最低值的位置并不在压力面而是偏于压力面的中间流面上.2. 在叶轮吸入口，在前盖板附近，流速通它为正值，但随流量增大，在。=1.2。吵时.发现有负速度，且湍流度较高.可以设想在吸入口前盖板处，当液流从轴向拐向径向时，382382工程热物理学报(洪)saaEtsEsgdEesVe

13、clocity024VeclocityWrm/s)oo21wsJidEes0VeclccitvX-a*(m/s)024VeclocityWrm/s)图7速度概率示例存在较为严重涡流回流.-3. 在&流面，流动不稳定区先发生在吸入口的后盖板，当液流从轴向拐向径向时，不稳定区向前盖板发展.此时前后盖板液流湍流度都较大.当液流拐向径向后，不稳定区则略靠近前盖板，但在出口处，不稳定区又略靠近后盖板.4. 从采集的速度分布概率表明，即使在额定工况，在叶轮出口处存在射流-尾迹靖构，在偏离额定工况时则加剧.对于名=60叶轮，在Q-时，出口处低速区范围约为18%,随流量减少而增大，当Q-Q6QOft时

14、，出口处低速区范围约为24%.更详尽的内流场描述与分析将陆续报导.测试中邓庆华、阎旭、孟庆昆等同志参加了工作，特致谢.参#文献1Eckardt,D.,FlowioOntrifugatCompressor,LectureSeries1984-07,VonKarmanIntcituteforFluidDynamics.2WittigS.eta】.，I.ascr-DopplerStudiesofWakeEffacedFlowFieldinaTurbineCascade.ASME,1972.31沈天赧，离心叶轮的内流坊理论基础浙江大学出版壮,1986.4期薛敦松等：用激光流速仪对低比速煎心系叶轮内流场的试监研究383THEFLOWINVESTIGATIONINSIDEACENTRIFUGALPUMPIMPELLERWITHLASERDOPPLERVELOCIMETERXueDunsongSunZijingLuJun(UnivertiryofPetroleum,Beifing)Theflowdis