基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

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低比转数离心泵广泛应用于各个生产领域中，其具有流量小 、扬程高的特点.低 比转数离心泵的高扬程决定了叶轮流道内的压力增幅较大、逆压梯度较高，这使得脱流较容易在叶轮叶片表面发生.同时，由于叶轮叶片曲率、系统旋转 、动静干涉和湍流等原因离心泵内的流动非常复杂。

尤其在转速-定的条件下，泵在小于设计流量工况下会在叶片头部产生冲角，冲角达到-定程度时就可能在叶片表面产生脱流.脱流的形式有两种：-种是稳态脱流，即脱流和叶轮之间没有相对运动；另外-种是旋转失速，脱流和叶轮之间有相对运动.随着计算流体动力学的发展，已有许多学者采用数值仿真的方法对离心泵 内的脱流进行了详细研究 J.但相对于数值研究，离心泵内脱流现象的试验研究较少.激光多普勒测速仪 (1aser doppler velocimetry，LDV)是-种非接触式流场测量方法，因其具有较高 的测量精度 ，已被广泛应用于流体机械 内流场的测量中，包括在压缩机 和气轮机 中的成功应用.国外有部分研究者采用 LDV来研究离心泵内的动静干涉现象 Ⅲ ，国内也有学者采用 LDV测量离心泵内的非稳态流动 。。 ，但对离心泵内小流量工况下的脱流现象研究较少.文中采用二维LDV测量带导叶扩压器离心泵叶轮 内的相平均速度惩湍流强度场，以研究小流量工况下离心泵内脱流现象 ，从而为离心泵的设计提供-定的理论基础。

1 泵的几何参数和 LDV设置该低 比转数离心泵的叶轮和扩压器如图1所示，整个离心泵由透明树脂玻璃制成 ，便于激光试验测量.图 2为叶片型线和 LDV测量点布置(50%叶高)图，该离心泵叶轮是后弯闭式，且前后盖板在叶片段平行并和转轴垂直，叶轮叶片数为 6个，叶轮进 口直径 D 80 mm，叶轮叶片进口角 1 7.9。，叶轮出口直径 D ：1 50.5 mm，叶轮高度 b b，l2.7 mm.叶轮叶片出口角在前后盖板上分别为 19.7。和 22.5。，导致后盖板上的叶片包角比前盖板上的大 8.7。.扩压器导叶进 口直径为 D 1 55 1Ylm，进 口角 9。，导叶数为9个 ，导叶进口高度 b 1 4 mm.泵的设计流量为 Q4.5 L/s，设计扬程 H7 m，设计转速为 1 451r/nl 13。

图 1 离心泵叶轮和扩压器Fig.1 Impeller and vaned diffuser of centrifugal pump图2 叶片型线和 LDV测量点布置(50%叶高)Fig.2 Blade profiles and LDV measuring points本试验采用的是美国 TSI公司的 LDV测试系统.采用氩离子激光器(最大功率为5 W)产生绿色(波长514.5 nlT1)和蓝色(波长488 IlYI)2种激光束用于测量.光学探头固定在二维导轨系统上，其移动由程序控制，2个方向的移动精度均为0.01 mm。

离心泵叶轮内的测量点如图 2所示，所有测量点分布在50%叶高面上.离心泵转轴上装有解码器，用来确定叶轮的相对位置.在每个测量点上采集 5×10 组数据，每组数据中的所有信号必须在限定的时间窗内同时出现.通过对该离心泵的流厨行数值仿真验证了测量点上的轴向速度可以忽略.在测量平面上所测得的 ，Y方向的绝对速度分量(u和)，每个包括 1个相平均量(/和 )和 1个随机量(u 和 )，其定义见式(1).因此，由式(2)计算可得相平均速度分量，相对速度则根据式(3)绝对速度和相对速度的关系计算可得.通过 2个随机速度量的均方根式(4)计算可得湍流强度。

f上 ( ，y， )瓦( ， ， ) ( ，Y， )，i1，，Ⅳ， ( ，Y， ) (X，Y， )V ( ， ， )，(1)，f面( ，Y， ) 1∑/2i( ，Y， )， N (2)1 ( ，Y， ) 1∑ ( ， )，ll上.It蚌 WC-U， (3)Tu( ，Y，D)1- /2]V4 t2.( ， ，；D) y， )]，(4)式中： 为叶轮圆周相对位置角度；T 为湍流强度 ；N为某-角度 所对应的采样数 ； 是叶轮叶片出口圆周速度。

2 测量结果与分析在测量过程 中，由于每个测量点 固定不动，离心泵叶轮在旋转 ，所以测量点和离心泵叶轮的相对位置随着叶轮的旋转而改变。

图 3给出了测量点 r/R，0.81 1上 4种小流量工况 (0.75Q ，0.5OQ ，o.40Qd和 0.30Q d)的相对速度径 向分量和圆周分量随着叶片转角变化的规律.其中，r为测量点的半径；R 为转轮出口半径；PS为压力面 ；SS为吸力面.图中6个叶轮叶片流道已经编号，叶片转角 (如 图2所示)用来确定叶轮和扩压器导叶之间的相对位置， 0的位置为叶轮叶片的出口边在半叶高位置开始靠近扩压器导叶的头部。

翥蚕，(。)(b)相对速度圆周分量图 3 测量点 r/冗：0.811处的相对速度分量Fig.3 Relative velocity components for pointat r/R2：0.811从图 3中可以看出，两个速度分量在 4种流量工况下都基本具有 120。的周期性，这是由叶轮和扩压器叶片数比(6：9)决定的，同时也显示了测量结果的可靠性.在工况 0.75Q 下，该半径上的相对速度径向分量 W 基本为正，相对速度圆周分量 全部为负数，表明在该半径上叶轮内无脱流现象.加在靠近叶片压力面和吸力面较高，在流道中部较低.而在工况 0.50Q 下，W 在压力面附近出现负值，表明叶轮压力面出现脱流.但在流道 1，3，5中，根据W 为负值在圆周方向所 占的区域大小来判断，脱流区域占该半径上整个流道的30% ～35%；而在流道2，4，6中，脱流区域相对熊多，约只占5%.随着流量从0.5OQd降到o.40Qd和 0.3oq ，由于冲角进-步增大，脱流区域进-步加大，但相邻两流道内的脱流大小依然截然不同.这种两流道”脱流现象可能是由于叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6：9)造成的.而W 随着流量的减小而减小，同时其值在脱流较大的流道(流道 1，3，5)内比在脱流较小的流道内(流道2，4，6)小。

图4为各流量工况下位于 r/尺 0.890的测量点上速度分量的比较.如图4a所示，从相对速度的径向分量的分布可以判断，在工况 0.50Q ，0.40Q和0.30Q 下，在 r/尺 0.890半径上叶轮流道内的脱流比半径 r/R ：0.811要小，但依然呈现出两流道”脱流现象.同时，如图4b所示，相对速度的圆周分量依然随着流量的减小而减小。

O·20·1O01- 0·2·O 3. 0.4e/(。)(a相对速度径向分量)(b)相对速度圆周分量- Q dO.75- · - - Q/QO 50- Q，Q o.40- - - Q/QO 300图4 测量点 r/ ：0.890处的相对速度分量Fig.4 Relative vdoeity components forpoint at r/ 20.890图5为测量点 r/ 0.957处的相对速度分量。

从图5a可以看出，在靠近叶片出口的测量点 r/尼 0.957上该半径上的脱流区域变得很小，同时叶轮压力面附近的 相对于前两个半径测量点上的值有所增大.从图5b可以看出，相对速度圆周分量 W.在流道内从压力面到吸力面的梯度有了显著增大。

；2如 ∞如∞ ∞二 二 ， O.25O 2O0.150 10O 050- 0 O5)(a1相对速度径向分量。)(b)相对速度圆周分量Q/Qo 75Q/Q O.5OQ/QO 40Q/QdO 30现在流道中间，而在相邻的流道2，4，6中，则出现在靠近叶轮吸力面.在工况 0.30Q 下，湍流强度的最大值在奇数流道(流道 1，3，5)的压力面附近出现。

随着半径增大到r/R 0.890，如图6b所示，湍流强度在工况0.75Qd下相对于r/R：0.81 1处没有明显增大，而在0.50Q ，0.40Q 和0.30Q 这3种工况下，则比r/R 0.811处有很明显的增大.并且这种趋势在下-个靠近叶轮出口的测量点 r/ ，0.957上进-步体现，如图6c所示.同时，湍流强度的最大值随着流量的减小而增大，在流量小于 0.5 Q 时，最大湍流强度为 0.12～0.14，出现在叶轮压力面附近。

图5测量点，/R ：0.957处的相对速度分量 3 结 论Fig.5 Relative velocity components for point at r/R20.957图6为不同小流量工况下测量点上的湍流强度，在不同的叶轮转角下的分布结果.从图 6a中可以看出，在r/尺 0.811测量点，p0.75Q 时，湍流强度在靠近叶轮吸力面达到最大(0.06～0.07)，并且其在各流道间的分布具有周期性.随着流量的减小(0.50Q 和 0.40Q )，湍流强度的分布基本呈现两流道”周期性.在流道 1，3，5中，最大湍流强度出0 18O 120.06图 6 测量点上的湍流强度Fig.6 Turbulence intensity at measuring points成功应用 LDV测量了-低比转数离心泵在小流量工况下叶轮内部流场，包括相平均速度惩湍流强度场.测量在小于设计流量的4种工况下进行，通过分析离心泵叶轮内在脱流情况下的速度分布和湍流强度分布规律得到如下结论：1)离心泵在流量 0.75Q 时，叶轮内没有发生脱流；而在流量0.50Q 0.40Q 和0.30Q 时，叶轮内有脱流发生，并且脱流呈现两流道”特性，即在相邻的2个叶轮流道内，脱流的大型范围有很大差别，而每2个叶轮流道内的流场呈现出-定的周期性.这种周期性可能与叶轮和扩压器导叶叶片数的比率有关。

2)离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的降低而增大.在离心泵叶轮出口附近，在流量 0.75Q 时，最大湍流强度达到 0.06(基于 u )；而对于工况0.50Q ，0.40Q 和 0.30Q ，其最大湍流强度达到了0.12-0.14.同时，湍流强度的分布也呈现出两流道 ”特性。