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自吸泵特性研究

1、高速摄像机在自吸泵特性研究中的应用


自吸泵作为一种通用机械设备,广泛应用于石油、化工、电力冶金、矿山、造船、农业、环保等领域中。叶轮是自吸泵的核心部件,叶片数量不仅是研究离心泵水力性能的关键因素,且对自吸泵的自吸特性也会产生巨大的影响。

中国计量大学科研团队为研究自吸泵不同叶片数的自吸特性,通过千眼狼高速摄像机搭建了可视化试验平台,从试验的角度出发,直观地研究自吸泵的自吸过程,探讨在不同叶片数下自吸泵的内部流动状态和自吸时间的差异和规律。(详情可见《叶片数对泵自吸特性影响的可视化试验研究》)


2、实验方法


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图1 可视化试验台


    试验搭建了可视化试验平台,如图1所示。该平台主要包括透明自吸泵、透明管道和千眼狼高速摄像机。试验分别对双叶片、三叶片和四叶片的自吸泵自吸过程进行了观察,采集速度为每秒1000fps捕捉泵内气液混合流态分布。


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图2  不同叶片数的透明叶轮


图2为加工完成的透明叶轮。采用电机转速为1320r/min,进水管初始液位距叶轮中心点垂直高度为1m,出水管高度为1m,自吸泵内初始液位距叶轮中心点垂直高度为60mm。


3、试验分析

1/3.试验讨论


通过高速摄像机采集图像,发现当自吸泵在启动时间t=1s时,叶轮进口处由于压力减小,空气进入进口处,在泵内形成空气空腔。空气空腔经过叶片的挤压,破碎后迅速与泵内液体混合,在叶轮外缘处气液混合较为充分,形成气液混流状态。


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图3  t=1s时泵内部气液混合流态分布


由图3可知,3种自吸泵叶轮内部的气液比例以及分布方式存在明显的差异。四叶片自吸泵分流板内气泡数量明显比其他叶片数,气泡流入回流室后,气泡开始在回流室上壁面开始积聚;三叶片自吸泵叶轮内部空腔相对较小,外缘处气液混合较不充分,气液分离室中只有少部分气泡进入分流板开始回流,底部气泡尚未开始积聚。双叶片自吸泵叶轮内部气相空腔最小,外缘处气液混合不明显,气液分离室中的混合液相运动剧烈,但气泡尚未进入分流板回流。由此可见,在电机启动初期,叶片数越多,叶轮外缘处气液混合越充分,分流板处的气泡越多,泵内气液循环运动进程较快。


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图4  t=5s时泵内部气液混合流态分布

由图4可知,当自吸泵在启动时间t=5s时,电机转速进入稳定期。该阶段3种叶片自吸泵叶轮外缘处的气液混合流体气液比例相近;双叶片自吸泵气液混合流体中气相含量对较少;四叶片自吸泵分流板处回流的气泡明显多于其余自吸泵,并且在其底部形成更大的气泡群。双叶片自吸泵气液分离室中气液混合较为稳定,分流板处悬浮着一定量的气泡,底部尚未形成明显的气泡群,回流的液相相对较少。由此可见,在电机运行稳定时,叶片数越多,自吸泵内的气液运动越剧烈,分流板底部的气泡群越大,回流的气液混合流体越多,叶轮输送流体的效率越高。


2/3.叶片数与流动状态的关系

如图5所示,自吸泵的叶轮进口处均形成稳定的直径不一的气相空腔,且在空腔外缘包裹着气液占比不一的白色泡沫带如图5中C区域所示。

自吸泵5.png


图5 自吸后期泵内部气液混合流态分布


如试验图像观察了解到,叶片数的增加使叶轮外缘气泡的数量增加,叶轮外缘气相含量增加,气液混合流体混合程度增加。同时在四叶片自吸泵叶轮的的试验下,蜗壳扩散段回旋气泡B数量明显小于三叶片和双叶片,在自吸泵相同的转速下,叶片数的增加也减小了了回旋气泡B的回旋周期,进一步减少蜗壳扩散段出现停滞回旋的气泡。叶片数的增加,使自吸泵内部的气液混合流动更加稳定,减少了不必要的能量损耗,提高了泵内气泡密度,使泵内气液混合流体混合更加充分。


3/3.叶片数对自吸泵自吸时间的影响

由图6可知,在电机启动后,进水管内液位迅速上升,三种叶轮自吸泵自吸性能较为接近,四叶片自吸泵液位首次上升高度最大,这是因为叶片数越多,叶轮进口处产生的压力越低,较大的压力差将液位抬升。

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图6 自吸泵管道液位变化


在电机启动5~15s左右期间,进水管中的液位开始呈现波动上升状态,且液位上升速度开始降低,这是因为流体在重力和管道内外压力差的即将到达平衡,自吸过程开始进入平稳期。

在t=20s之后,进水管液位缓慢爬升,进入平稳期,此时叶轮高速旋转,不断将泵的气体排出,提高泵内流体中液体的占比。当进水管中有液体流入叶轮,三、四叶片自吸泵用时较为接近,双叶片自吸泵耗时约100s,自吸性能较差。当出水管有液相流出时,四叶片自吸泵出水管液位上升速度最快,自吸时间最短,双叶片相对于三、四叶片,进入出水管液位开始上升的时间较晚,液位上升速度也较小,自吸性能较差。

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图7  t=160s时泵内部气液混合流态分布


由图7可知,四叶片自吸泵叶轮外缘处形成的气液混合流体中气相含量大,产生大量的移动气泡排出,气液分离室内运动剧烈,气液分离效率高。回流孔处流量大,叶轮的流体输送效率高,使得自吸泵的排气效率提高,加快自吸进程。由此可见,自吸时间主要取决于气液分离效率,叶片数越多,叶轮外缘处气液混合更加充分,产生的移动气泡多,气液分离室内运动更加剧烈,气液分离效率高,回流量大,叶轮的流体输送效率高,因此自吸泵排气效率高。


4、试验结论

采用千眼狼高速摄像机搭建了可视化试验台,实现了在不同叶片数的情况下,自吸泵自吸过程中的气液混合流态分布的图像捕捉及自吸泵自吸时间的记录;研究了不同工况下叶片数对自吸泵气液混合流态分布及流激响应特性的影响机制,完成了自吸泵叶片数为2、3、4的情况下对自吸泵自吸特性影响的可视化试验研究。得出如下结论:

(1)气液混合流体中的气液比例受叶片数影响,叶片数越多,气液混合越充分,气液混合流体中气相含量越高,蜗壳扩散段内移动气泡越多,排气效率越高,自吸性能越好。

(2)自吸泵的自吸时间主要取决于排气效率,排气效率受叶轮对流体的输送效率、气液混合流体中的气液比例及气液分离效率影响。其中叶轮对流体的输送效率表现为泵内流体的回流量,叶片数越多,叶轮内部压力越低,通过回流孔回流的流体越多,叶轮对流体的输送效率越高。

(3)3种叶片数方案中,四叶片自吸泵完成自吸的时间最短,三叶片稍长,双叶片最长。在本文试验条件下,叶片数的增加使自吸泵内部的气液混合流动更加稳定,减少了泵内局部的流动能量损耗,使泵内气液混合流体混合更加充分,提高了自吸泵的自吸性能。


5、总结

本次试验使用高速摄像机对自吸泵内部流动情况进行拍摄,更加深入研究了不同叶片数下的自吸泵内气液混合、气液分离及气液回流等过程,揭示叶片数对自吸泵自吸过程各个阶段的气液两相流态的影响规律,为自吸泵叶轮设计提供参考和依据。高速摄像机作为科研仪器,能够帮助科研人员进一步探索试验现象,揭示更多自然本质。(此文源自中国计量大学研究团队)


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