如何控制水泵不稳定特性及试验研究

      本文主要从设计角度出发，弄清这些小流量不稳定的形成机理并分析其影响因素，从而来指导低比转速高速诱导轮离心泵的设计，使高速离心泵的扬程流量特性线H~Q不存在正斜率上升段，即高速离心泵具有很好的小流量工作稳定性。
　　
　　产生不稳定现象的机理
　　
　　产生小流量不稳定现象的原因主要是诱导轮进口前缘外径处产生的回旋流、离心轮进口的回流、叶轮流道里的二次流、叶轮流道内的尾迹-射流结构与流动分离、以及叶轮与蜗壳联合工作时出现的叶轮出口二次流等。这些因素的存在，一方面影响了高速离心泵的流场分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量区的扬程和效率下降，因此就很容易使高速离心水泵特性线出现正斜率上升段，从而使高速离心泵在小流量工况下产生不稳定现象。下面就对这几种不稳定因素的产生机理进行阐述。
　　
　　1.进口回流产生的机理
　　
　　关于叶轮进口回流产生的机理国内外许多学者作了研究。Stepanoff是较早对离心泵叶轮进口回流机理进行研究的学者之一，他认为液体流动是靠能量坡度维持的，在流量降低到了接近零时，由于液体惯性力的作用，叶轮有可能使其进口周围的圆周速度增加，因此管壁附近的能量增加，这使得维持液体沿流线流动所必须的能量坡度不在存在，因此就在叶轮进口附近的液流发生倒流。Fraser认为离心扬程对于给定的叶轮直径和流量来说是不变的，而动扬程是流量的函数，在扬程流量曲线上某些点，动扬程一旦超过离心扬程，那么在这些点压力梯度反向，导致了流动方向相反，即产生回流现象。文献3从理论和实验两方面分析了低比转速离心泵叶轮进口回流产生的机理，认为旋转速度分量是叶轮进口回流产生的主要原因，并指出回流是导致小流量不稳定现象的主要原因。
　　
　　由于设计人员在设计低比转速高速诱导轮离心泵时往往采用正冲角方法，即为了保证诱导轮产生的扬程能够满足离心轮进口的能量要求，取诱导轮叶片进口角大于液流角，同时为使离心轮获得较好的汽蚀性能，也取其叶片进口角大于液流角；另外为了获得较高的效率，在设计超低比转速高速诱导轮离心泵时普遍采用加大流量设计，这就使运行工况下的实际液流角小于设计工况下的液流角，这样就使诱导轮和离心轮进口前缘都具有不均匀的圆周速度分量，从而产生绕流线的旋涡。因此诱导轮和离心轮的进口回流实际上也就是由于旋转叶片边缘处的液流圆周分速不均匀引起的，是包含垂直于轴面的旋涡和绕流线旋涡的回漩流。
　　
　　2.离心叶轮流道中的二次流与分层效应
　　
　　现在的流场分析与流动测试研究已表明离心叶轮流道内的流动基本上是由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的射流区所组成，尾流区紧贴在叶轮的前盖板和非工作面上，尾流区愈宽，射流-尾流之间的剪层愈薄，两者之间的速度梯度愈大，意味着射流-尾流结构愈强，叶轮内的损失也就愈大。尾流的形成与发展是边界层的发展、二次流的发展、流动分离和分层效应等因素相互影响相互促进而形成的。
　　
　　关于二次流的形成及其对尾迹的影响，国内外许多学者作了研究，定性来讲可用下式来分析叶轮旋转流道中的二次流：
　　
　　EMBEDEquation.2(2-1)
　　
　　上式中的EMBEDEquation.2为旋转滞止压力，EMBEDEquation.2为相对流线的旋转分量，EMBEDEquation.2分别为I对次法线方向和旋转轴方向的偏导数。上式表明相对流线方向的旋涡是由两个因素产生：一是为具有半径Rn的流线曲率，另一是旋转角速度ω引起的。
　　
　　旋转滞止压力I是动压力EMBEDEquation.2和折算静压力EMBEDEquation.2之和，粘性的作用使I下降。由于在叶轮流道旋转边界层内存在较大的相对速度梯度，因此具有均匀折算静压的边界层内I的最小值出现在壁面上，其值等于p*。
　　
　　考虑叶轮流道的B-B流动，假设由于进口管壁面的摩擦已经产生了如图所示的速度剖面，考虑B-B的流道的一个流面ABCD，靠近叶轮流道外直径的A点，流线曲率由叶片曲率产生，次法线方向的旋转压力梯度是由前盖板边界层损失引起的，第一项产生的正的流线方向的旋转分量EMBEDEquation.2。而在靠近内直径处的B点，引起负的EMBEDEquation.2，其结果是形成前盖板及后盖板表面边界层上的二次流，使前、后盖板表面边界层内的低I微团流到非工作面上，并且从连续性出发也把工作面上的低I微团驱赶到非工作面上去，这样就增厚了非工作面上的边界层。由于I梯度与ω几乎垂直，由式(2-1)的第二项引起的二次流较小。由于在叶轮出口处的C、D两点位于流道的径流部位，因此主要由第二项引起如图所示方向的正、负EMBEDEquation.2和二次流，这样也就把前、后盖板边界层内低能微团驱赶到非工作面上去，增加了非工作面上的边界层。
　　
　　将同样的分析方法应用于子午平面内，当流线由轴向向径向拐弯时，在工作面和非工作面边界层上形成二次流旋涡，它们把工作面和非工作面上边界层内的低I微团驱赶到前盖板上，增厚了前盖板表面的边界层。
　　
　　上面分析可以得出产生流线方向上二次流旋涡有三个来源：
　　
　　1)弯曲叶片；它使流动从进口冲角方向转到轴线方向，把前、后盖板表面上边界层内的低I流体微团驱赶到非工作面上，由于工作面边界层内的低I流体微团是不稳定的，因此也被驱赶到非工作面上。
　　
　　2)轴向向径向拐弯；由于子午面上前后盖板型线存在曲率，把工作面和非工作面以及后盖板表面上边界层内的低I流体微团转移到前盖板表面。
　　
　　3)旋转；随着流动从轴向到径向，旋转对二次流旋涡的贡献不断增加，哥氏力产生的二次流使低I流体从前、后盖板表面以及不稳定的工作面表面的低I流体转移到非工作面上
　　
　　由于分层效应的影响，使高能流体微团在工作面和后盖板一侧积聚，促使来流速度加快，并且边界层增长缓慢，减少了分离倾向。而在非工作面和前盖板一侧则有低能流体微团积聚，从而降低了来流速度，加剧了边界层增长，助长了边界层分离倾向。
　　
　　3.尾流-射流结构与流动分离
　　
　　上面已经提及离心叶轮通道内的流动基本上是由相对较小的尾流区和近似于无粘的射流区组成，考虑到真实流体的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了边界层，在叶片曲率以及旋转的作用下，非工作面上的边界层由于二次流的影响越来越厚，有容易在某一小流量下发生失速现象，从而导致边界层分离。