海拔對離心泵吸入性能的影響研究論文
離心泵廣泛應用于各種油料的輸送，約占泵總量的70%~80%。在高原環境下，大氣壓力隨海拔的提升不斷降低，離心泵吸入口壓力相應減小，吸入能力下降影響泵正常工作，導致工作效率降低。定量分析離心泵在不同海拔下的工作性能及變化規律，應進行實地實驗，然而實地實驗受場地等因素限制，設備展開、調試及撤收等較為困難，難以實施。因此，本文利用海拔與大氣壓力之間的關系，采用模擬的方法對離心泵在不同海拔下的工作性能進行實驗研究。
1實驗裝置及方法
1.1實驗裝置
1.1.1泵
實驗中使用的泵主要是離心泵和真空泵。離心泵為非自吸式，由發動機驅動，為實驗研究對象；真空泵是水環式，由電動機驅動，用來對真空罐抽真空。
1.1.2含氣率測試儀
為準確快速地監測、采集實驗數據，采用了含氣率測試儀。該測試儀基于電容探測法設計而成，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以及探針與液體接觸的長度有關。當探針與被測流體接觸長度發生變化，其輸出電容值也發生變化，通過測量輸出的電容值可推算出混合物的比率。含氣率測試儀主要包括電容傳感器和電容電壓轉換電路兩大部分。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。電容電壓轉換電路由兩部分組成：一是電容電壓轉換部分，采用CAV424芯片將電容轉化為標準電壓信號，可輸出1~4 V標準電壓；二是放大電路，采用AM401將前面的輸出信號放大，提高采集系統的分辨率。
1.1.3真空罐
真空罐是實驗中控制泵吸入口真空度的重要設備，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，設計溫度0 ℃，設計壓力1.1 MPa，耐壓實驗壓力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，真空表的測量范圍為0~0.09 MPa，測量精度0.001 MPa；液位計最高液位為3 m，精度0.1 m。
1.2實驗流程
離心泵進出口管線通過DN100鋼管與真空罐相連，形成一個封閉的循環系統。實驗時，將管路及離心泵內充滿清水，真空罐內注入約3/4的清水，實測水溫32~34 ℃。首先利用真空泵對真空罐抽真空，通過蝶閥的開關控制真空管路與真空罐的互通，通過真空表的讀數來確定真空罐內的氣壓值，待真空罐內氣壓達到指定數值時，關閉蝶閥。通過控制真空度來模擬不同海拔下的.大氣壓力，實現離心泵吸入口壓力的調整，進而實現泵高原吸入性能模擬實驗。
1.3 實驗方法
地理學中將平均海拔超過1 000 m的廣袤地區稱為高原。機械設備通常將海拔2 500 m作為正常使用的分界點。為了能夠準確對比離心泵吸入性能的變化規律，本文選取海拔0，1 500，2 000，2 500，3 000 m作為實驗點。由表2可見，海拔每升高500 m，對應真空度約上升0.005 MPa。對應本文選取的海拔，真空罐內的真空度依次增大0，0.015，0.02，0.025，0.03 MPa。
由于真空度高于0.025 MPa、發動機轉速超過1 600 r/min后，泵機組出現了劇烈抖動現象，為避免繼續升速后損壞實驗設備，各海拔下均選取泵機組發動機轉速為1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 600 r/min進行實驗。泵由發動機經過增速器驅動運行，增速比為1.52，對應的泵轉速為1 672，1 824，1 976，2 128，2 280，2 432 r/min，在各轉速下測試泵入口持液率數據。
實驗按照GB/T 3216—2005《回轉動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》[13]、GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規范 精密級》[14]和GB/T 13929—1992《水環真空泵和水環壓縮機試驗方法》[15]等國家標準規定的方法進行。
2實驗結果
按照上述方法開展實驗，獲取離心泵在不同海拔和轉速下的泵吸入口持液率曲線。因持液率曲線較多且規律類似，本文只列出各海拔下泵轉速為1 824和2 280 r/min時的持液率數據，并以海拔0 m、泵轉速2 280 r/min時的持液率數據曲線為例對實驗過程進行說明。700 s時發動機掛泵，因泵入口流體被吸走且后續流體未能及時補充，此時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，而后隨著管內流體的不斷流動補充至泵吸入口處，持液率慢慢回升直至基本穩定于一固定值。2 250 s時，發動機與泵連接斷開，泵吸入口持液率上升，因泵停止運轉，而后續流體仍然繼續流動，泵吸入口管線內瞬間充滿流體，造成吸入口持液率大幅上升，而后隨著流體流速的下降，持液率數值恢復至實驗初始狀態。
3數據分析
整理泵在不同海拔和轉速下含氣率測試儀輸出的電壓值 β ，計算泵吸入口持液率 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律。
離心泵吸入口持液率 α 和持液率變化率 γ 的數值可以發現，泵吸入口的持液率符合以下規律：①不同海拔、相同轉速下，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、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低。
泵轉速不變，海拔升高時，因大氣壓力 P 降低，而高差 Z 與動能 0.5ρv入2均不變，導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，泵轉速升高時，泵吸入口流體流速升高，流體動能升高，若要繼續保持方程兩端平衡，則吸入口壓力與流體密度至少有一項需要減小；若吸入口壓力降低，則與第一種情況相同；若流體密度減小，則說明液體內混入氣體，即吸入口持液率降低。
4結論
通過一系列不同海拔和轉速下泵高原吸入性能模擬實驗，獲取了離心泵在不同海拔和轉速下泵吸入口持液率，生成了泵的持液率變化曲線，分析實驗數據得出以下結論：
1）不同海拔、相同轉速下，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、不同轉速下，泵的持液率隨轉速提高呈降低趨勢，即泵的轉速越高，泵吸入口持液率越低；
3）隨著泵吸入口持液率降低，泵內吸入氣體增加，泵內流體流動狀態不穩定，泵出入口壓力及流量波動劇烈，泵機組工作狀態趨于不穩定。
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