海拔对离心泵吸入性能的影响研究论文
离心泵广泛应用于各种油料的输送，约占泵总量的70%~80%。在高原环境下，大气压力随海拔的提升不断降低，离心泵吸入口压力相应减小，吸入能力下降影响泵正常工作，导致工作效率降低。定量分析离心泵在不同海拔下的工作性能及变化规律，应进行实地实验，然而实地实验受场地等因素限制，设备展开、调试及撤收等较为困难，难以实施。因此，本文利用海拔与大气压力之间的关系，采用模拟的方法对离心泵在不同海拔下的工作性能进行实验研究。
1实验装置及方法
1.1实验装置
1.1.1泵
实验中使用的泵主要是离心泵和真空泵。离心泵为非自吸式，由发动机驱动，为实验研究对象；真空泵是水环式，由电动机驱动，用来对真空罐抽真空。
1.1.2含气率测试仪
为准确快速地监测、采集实验数据，采用了含气率测试仪。该测试仪基于电容探测法设计而成，其基本原理是在管路上布置电容器，电容值的大小与气液混合物的介电常数以及探针与液体接触的长度有关。当探针与被测流体接触长度发生变化，其输出电容值也发生变化，通过测量输出的电容值可推算出混合物的比率。含气率测试仪主要包括电容传感器和电容电压转换电路两大部分。电容传感器的两极由2根涂有聚四氟乙烯涂层的探针钢丝制成。电容电压转换电路由两部分组成：一是电容电压转换部分，采用CAV424芯片将电容转化为标准电压信号，可输出1~4 V标准电压；二是放大电路，采用AM401将前面的输出信号放大，提高采集系统的分辨率。
1.1.3真空罐
真空罐是实验中控制泵吸入口真空度的重要设备，由Q235-B型钢焊接而成，高3 m，直径1.35 m，容积4.3 m3，净重1 584 kg，设计温度0 ℃，设计压力1.1 MPa，耐压实验压力1.38 MPa，最高允许工作压力1.05 MPa。罐身配备有真空表及液位计，真空表的测量范围为0~0.09 MPa，测量精度0.001 MPa；液位计最高液位为3 m，精度0.1 m。
1.2实验流程
离心泵进出口管线通过DN100钢管与真空罐相连，形成一个封闭的循环系统。实验时，将管路及离心泵内充满清水，真空罐内注入约3/4的清水，实测水温32~34 ℃。首先利用真空泵对真空罐抽真空，通过蝶阀的开关控制真空管路与真空罐的互通，通过真空表的读数来确定真空罐内的气压值，待真空罐内气压达到指定数值时，关闭蝶阀。通过控制真空度来模拟不同海拔下的.大气压力，实现离心泵吸入口压力的调整，进而实现泵高原吸入性能模拟实验。
1.3 实验方法
地理学中将平均海拔超过1 000 m的广袤地区称为高原。机械设备通常将海拔2 500 m作为正常使用的分界点。为了能够准确对比离心泵吸入性能的变化规律，本文选取海拔0，1 500，2 000，2 500，3 000 m作为实验点。由表2可见，海拔每升高500 m，对应真空度约上升0.005 MPa。对应本文选取的海拔，真空罐内的真空度依次增大0，0.015，0.02，0.025，0.03 MPa。
由于真空度高于0.025 MPa、发动机转速超过1 600 r/min后，泵机组出现了剧烈抖动现象，为避免继续升速后损坏实验设备，各海拔下均选取泵机组发动机转速为1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 600 r/min进行实验。泵由发动机经过增速器驱动运行，增速比为1.52，对应的泵转速为1 672，1 824，1 976，2 128，2 280，2 432 r/min，在各转速下测试泵入口持液率数据。
实验按照GB/T 3216—2005《回转动力泵 水力性能验收试验1级和2级》[13]、GB/T 18149—2000《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范 精密级》[14]和GB/T 13929—1992《水环真空泵和水环压缩机试验方法》[15]等国家标准规定的方法进行。
2实验结果
按照上述方法开展实验，获取离心泵在不同海拔和转速下的泵吸入口持液率曲线。因持液率曲线较多且规律类似，本文只列出各海拔下泵转速为1 824和2 280 r/min时的持液率数据，并以海拔0 m、泵转速2 280 r/min时的持液率数据曲线为例对实验过程进行说明。700 s时发动机挂泵，因泵入口流体被吸走且后续流体未能及时补充，此时泵吸入口流体含量迅速降低，所以瞬间泵吸入口处气体含量急剧增大，而后随着管内流体的不断流动补充至泵吸入口处，持液率慢慢回升直至基本稳定于一固定值。2 250 s时，发动机与泵连接断开，泵吸入口持液率上升，因泵停止运转，而后续流体仍然继续流动，泵吸入口管线内瞬间充满流体，造成吸入口持液率大幅上升，而后随着流体流速的下降，持液率数值恢复至实验初始状态。
3数据分析
整理泵在不同海拔和转速下含气率测试仪输出的电压值 β ，计算泵吸入口持液率 α 和泵吸入口持液率变化率 γ ，得到泵在不同真空度下的持液率变化规律。
离心泵吸入口持液率 α 和持液率变化率 γ 的数值可以发现，泵吸入口的持液率符合以下规律：①不同海拔、相同转速下，泵的持液率随海拔的提升不断降低，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、不同转速下，泵的持液率随转速提高呈降低趋势，即泵的转速越高，泵吸入口持液率越低。
泵转速不变，海拔升高时，因大气压力 P 降低，而高差 Z 与动能 0.5ρv入2均不变，导致离心泵吸入口压力 P入降低，离心泵的吸入能力下降，泵吸入口持液率降低。海拔不变，泵转速升高时，泵吸入口流体流速升高，流体动能升高，若要继续保持方程两端平衡，则吸入口压力与流体密度至少有一项需要减小；若吸入口压力降低，则与第一种情况相同；若流体密度减小，则说明液体内混入气体，即吸入口持液率降低。
4结论
通过一系列不同海拔和转速下泵高原吸入性能模拟实验，获取了离心泵在不同海拔和转速下泵吸入口持液率，生成了泵的持液率变化曲线，分析实验数据得出以下结论：
1）不同海拔、相同转速下，泵的持液率随海拔的提升不断降低，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、不同转速下，泵的持液率随转速提高呈降低趋势，即泵的转速越高，泵吸入口持液率越低；
3）随着泵吸入口持液率降低，泵内吸入气体增加，泵内流体流动状态不稳定，泵出入口压力及流量波动剧烈，泵机组工作状态趋于不稳定。
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