邱 勇，季燕羽，杨洪镔，唐晓晨，谈明高(. 江苏振华泵业制造有限公司，江苏 姜堰 5500；. 江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 0； 永州职业技术学院，湖南 永州 4500)

由于低比转数离心泵流道狭长，流道扩散度较大，在小流量工况下容易产生边界层流动分离，产生分离泡，分离泡附近叶片做功能力大大降低。流动分离产生的分离泡发展到一定程度还会导致离心泵内部发生失速现象。失速会增加流动损失，堵塞流道，降低泵的扬程和效率。某些低比转数离心泵在流量降低到一定程度时，分离泡会在流道中旋转，造成旋转失速[1]。其产生的压力脉动会对流道产生冲击，严重影响低比转数离心泵及其管路的安全、稳定运行。

许多关于设计和数值模拟的文献都提及了叶轮流动分离对离心泵流动损失和稳定运行的影响[2-6]，国内外学者对离心泵叶轮内严重流动分离引起的失速现象进行了较多的实验研究。对流动分离测试手段主要有：热线风速仪、多孔探针、激光多普勒测速技术( Laser Doppler Velocimetry，LDV)、粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)等。LDV、热线风速仪和多孔探针采用单点测量的方式，无法得到空间的速度结构，并且热线风速仪和多孔探针会干扰所测流场，使试验结果不能反映真实的失速现象。随着流体测试技术的发展和PIV技术的成功应用，对离心泵叶轮流动分离的研究有了飞速发展。Pedersen[7]等人发现了0.2倍最优工况下离心泵叶轮内部出现交替发生流动分离的双通道现象。Katz[8]等人利用旋转失速信号触发相机拍摄，观察了旋转失速时叶轮和导叶附近的流动分离现象。N．Krause[9]等人对导叶式离心泵的研究中发现，发现从47%设计流量降低到41%设计流量时，流道内稳定的分离泡变成旋转失速团，并对所测流场速度场进行了频谱分析，获得了失速团的转动频率。杨东升等人[10]研究了小流量下双叶片离心泵内的流动，发现在0.2倍最优工况下叶轮内有大面积的流动分离，发生了失速现象。

研究叶轮流动分离对理解离心泵叶轮流动分离的产生与发展机理，避免发生失速和旋转失速现象，提高低比转数离心泵及系统的运行可靠性有重要的意义。本文采用PIV技术对一6叶片低比转数(ns=73)离心泵叶轮内流场的分离泡流态进行分析，为低比转数离心泵流动分离研究提供借鉴。

1 试验装置

1.1 试验台

试验台如图1所示。

1.2 试验用泵

试验用低比转数离心泵如图2所示，其主要参数如表1所示。离心泵的叶轮和蜗壳均采用有机玻璃加工，各个表面均进行抛光处理以减小光学误差。

图1 试验台与PIV测试系统 注：1-低比转数离心泵；2-出口压力变送器；3-出口扩散段；4-电磁流量计；5-出口闸阀；6-水箱；7-进口闸阀；8-进口压力变送器；9-计算机；10-同步触发控制器；11-CCD相机；12-激光器；13-光电信号传输器；14-旋转脉冲信号同步器；15-旋转编码器；16-三相异步电动机。

图2 PIV测试用低比转数离心泵

表1 试验用泵的设计参数和几何参数

1.3 PIV测试系统

试验采用TSI公司的PIV系统，主要包括：YAG200-NWL型双脉冲激光器，最大脉冲能量200 mJ；630059 PowerView 4MP 跨帧CCD相机，最大成像能力2 048像素×2 048像素；610035型同步器；给610035型同步器传输同步控制信号的同步触发控制器和光电信号传输转换装置；610015型光臂；片光源透镜组等。图像采集和分析软件Insight 3G，查问区尺寸最小可达4像素×4像素。

2 试验方案

2.1 试验参数

试验泵最优工况流量QBEP=27.7 m3/h。设计工况附近流动分离不稳定，现象不明显；而在远离设计工况时，流动分离发展完全，周期性特征完整。为了较全面地研究小流量工况下离心泵叶轮内流动分离和分离泡，对远离设计工况(Q/QBEP=0.18)下叶轮流道内流动进行了测量。试验中激光片光截面与叶轮出口的中间截面重合，测量区域如图3所示。

图3 叶轮的6个不同相位

为了较全面研究离心泵叶轮内部的分离泡现象，通过PIV系统中脉冲延迟时间设置，按流道吸力面与隔舌相对位置不同划分为6个不同相位，分别为1T、2T、3T、4T、5T、6T。为便于分析，将叶轮内流道分别命名为流道1、流道2、流道3、流道4、流道5、流道6，如图3所示。

2.2 数据采集及处理

在Insight3G软件平台上设置相关参数，采用粒子图像序列采集方式进行试验，每组连续采集100对图像。运用PIV互相关算法对Q/QBEP=0.18工况，不同相位下的100对图像进行处理，得到100组速度场数据。然后将速度数据导入Tecplot软件平台上对进行平均处理，利用自编程序对平均后的绝对速度进行分解，从而得到相对速度，并导入Tecplot软件进行分析。

3 结果与分析

3.1 相对速度场结果分析

随着离心泵流量不断降低，叶片工作面流动分离现象不断恶化。与此同时，分离泡也不断向流道中部发展和扩散，并逐渐堵塞流道。分离泡区域速度梯度和速度脉动都很大，有较大的黏性耗散损失和湍动能损失。蜗壳周向压力不平衡也会影响叶轮流道内的流动分离现象，使分离泡呈现出周期性的变化。分离泡随叶轮旋转周期性地产生、发展和溃灭。

图4给出了Q/QBEP=0.18时，不同叶轮相位流场相对速度流线图。在小流量工况下，蜗壳在隔舌右侧进口处压力最小，并且沿蜗壳周向一直增大，到隔舌左侧出口处压力达到最大[11]。受蜗壳的周向压力不均匀分布的影响，叶轮流道出口在蜗壳不同位置处的逆压梯度不同，叶轮流道内的流动分离和分离泡的发展状况也不一样[12]。由图4可见，在1T相位处，流道2、3、4、5内都存在较明显的分离泡，流道1内分离泡较小，而流道6内没有发现较明显的分离泡。流道1内分离泡较小，以及流道6内分离泡消失的原因是流道2内较强的分离泡使得进口流动发生变形，造成了流道1、6进口冲角增大，流道3、4、5进口冲角减小。这样，流道3、4、5内流动分离增强，而流道1、6内分离泡溃灭。图4与文献[7]中“双流道现象”类似，而与文献[9]中观测到的旋转失速现象不同。

图4 不同相位下叶轮相对速度流线云图

在2T相位，流道1内压力面流动分离开始发展。这是因为流道2出口的一部分越过了隔舌进入隔舌右侧低压区，出口压力减小，流道2内分离泡减弱，对流道1进口冲角影响也减小。同时流道1出口压力增加，流动分离趋势增加，两者同时作用的结果是流道1内流动分离和分离泡发展。由于流道2内分离泡对流道3进口流动的影响，与流道出口压力变化对冲角的影响相抵消，所以流道3内分离泡变化不稳定。这种不稳定的作用，使得流道3出现了二次流动分离。

在3T相位，流道5内分离泡消失，而由于出口压力增加，而进口冲角受流道2影响减弱。

在4T、5T和6T相位，流道2出口大部分已经越过了隔舌，使得流动分离变弱，分离泡变小并向叶片压力面收缩。流道2内分离泡对相邻流道进口冲角影响也因此变弱。而受出口压力逐渐增大的影响，流道1内流动分离不断发展，分离泡开始向流道中部扩散。

图5 不同流道内滞止点轨迹

3.2 Q/QBEP=0.18工况下分离泡运动

分离泡的存在改变了流场结构，影响了流道内速度和压力分布。流动分离和分离泡的周期性变化会在流道中附加脉动流场，加剧湍流强度，增加了流动损失。为了研究和分析Q/QBEP=0.18工况下分离泡在流道内的运动规律，图5给出了不同相位滞止点坐标绘制滞止点绝对运动轨迹。分离泡的滞止点是分离泡区域内速度为零的点，分离泡内其他位置的流体都绕滞止点运动，并且离滞止点距离越近，速度越小。图5中相邻两点间的相位间隔 Δα相等，Δα=10°，C1～C5分别表示不同的叶轮流道。

由图5可见，在流道1内，分离泡从1T开始形成后，滞止点移动轨迹近似呈线性。在流道2内，从1T到4T，滞止点移动轨迹仍然近似呈线性，但移动速度逐渐降低；在4T相位时降到最小，对比观察图4可知，此时流道2出口中间正对隔舌；从4T到6T滞止点移动向旋转中心偏转，移动速度逐渐增加。在流道3内，滞止点移动轨迹逐渐向圆弧转变，此时流道内分离泡比较稳定；在1T到3T间，滞止点运动出现“折返”；对比分析图4可知，1T相位的分离泡不稳定，到2T时1T分离泡的前方发生了流动分离，并形成了新的滞止点和分离泡，其结果是滞止点在1T到3T间发生“折返”。在流道4和5内，滞止点运动轨迹近似呈圆弧状，流道内分离泡比较稳定；在流道5的3T相位之后，分离泡溃灭，滞止点随之消失。

结合图4分析可知，分离泡在叶片压力面中部产生，随叶轮旋转发展，最后在叶片压力面出口附近溃灭。在分离泡形成初期，滞止点在隔舌前(隔舌左侧)；分离泡和滞止点的运动都不稳定，滞止点运动轨迹近似呈线性；在分离泡发展稳定之后，滞止点在隔舌后(隔舌右侧)，滞止点运动较为稳定，滞止点运动轨迹近似呈圆弧状。在隔舌附近，分离泡的发展以及滞止点运动受隔舌动静干涉作用影响明显。

4 结 语

(1)在Q/QBEP=0.18工况，由于蜗壳周向的压力不平衡，流动分离和分离泡随叶轮旋转呈现出周期性的产生、发展和溃灭。由于流道进口相互作用的影响，流动分离和分离泡的周期性变化与流道出口压力的周期性变化不一致。

(2)在分离泡形成初期，分离泡发展和滞止点的运动都不稳定，滞止点运动轨迹近似呈线性；在分离泡发展稳定之后，滞止点运动较为稳定，滞止点运动轨迹近似呈圆弧状。在隔舌附近，分离泡的发展以及滞止点运动受隔舌动静干涉作用影响明显。

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