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德國力士樂REXROTH如何控制水泵不穩(wěn)定特性

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如何控制水泵不穩(wěn)定特性：

本文主要從設計角度出發(fā)，弄清這些小流量不穩(wěn)定的形成機理并分析其影響因素，從而來指導低比轉速高速誘導輪離心泵的設計，使高速離心泵的揚程流量特性線H~Q不存在正斜率上升段，即高速離心泵具有很好的小流量工作穩(wěn)定性。

產生不穩(wěn)定現象的機理

產生小流量不穩(wěn)定現象的原因主要是誘導輪進口前緣外徑處產生的回旋流、離心輪進口的回流、葉輪流道里的二次流、葉輪流道內的尾跡-射流結構與流動分離、以及葉輪與蝸殼聯合工作時出現的葉輪出口二次流等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的流場分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區(qū)的揚程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線出現正斜率上升段，從而使高速離心泵在小流量工況下產生不穩(wěn)定現象。下面就對這幾種不穩(wěn)定因素的產生機理進行闡述。

1.進口回流產生的機理

關于葉輪進口回流產生的機理國內外許多學者作了研究。Stepanoff是較早對離心泵葉輪進口回流機理進行研究的學者之一，他認為液體流動是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進口周圍的圓周速度增加，因此管壁附近的能量增加，這使得維持液體沿流線流動所必須的能量坡度不在存在，因此就在葉輪進口附近的液流發(fā)生倒流。Fraser認為離心揚程對于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動揚程是流量的函數，在揚程流量曲線上某些點，動揚程一旦超過離心揚程，那么在這些點壓力梯度反向，導致了流動方向相反，即產生回流現象。文獻3從理論和實驗兩方面分析了低比轉速離心泵葉輪進口回流產生的機理，認為旋轉速度分量是葉輪進口回流產生的主要原因，并指出回流是導致小流量不穩(wěn)定現象的主要原因。

由于設計人員在設計低比轉速高速誘導輪離心泵時往往采用正沖角方法，即為了保證誘導輪產生的揚程能夠滿足離心輪進口的能量要求，取誘導輪葉片進口角大于液流角，同時為使離心輪獲得較好的汽蝕性能，也取其葉片進口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率，在設計超低比轉速高速誘導輪離心泵時普遍采用加大流量設計，這就使運行工況下的實際液流角小于設計工況下的液流角，這樣就使誘導輪和離心輪進口前緣都具有不均勻的圓周速度分量，從而產生繞流線的旋渦。因此誘導輪和離心輪的進口回流實際上也就是由于旋轉葉片邊緣處的液流圓周分速不均勻引起的，是包含垂直于軸面的旋渦和繞流線旋渦的回漩流。

2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應

現在的流場分析與流動測試研究已表明離心葉輪流道內的流動基本上是由相對速度較小的尾流區(qū)和近似于無粘性的射流區(qū)所組成，尾流區(qū)緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區(qū)愈寬，射流-尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流-尾流結構愈強，葉輪內的損失也就愈大。尾流的形成與發(fā)展是邊界層的發(fā)展、二次流的發(fā)展、流動分離和分層效應等因素相互影響相互促進而形成的。

關于二次流的形成及其對尾跡的影響，國內外許多學者作了研究，定性來講可用下式來分析葉輪旋轉流道中的二次流：

EMBEDEquation.2(2-1)

上式中的EMBEDEquation.2為旋轉滯止壓力，EMBEDEquation.2為相對流線的旋轉分量，EMBEDEquation.2分別為I對次法線方向和旋轉軸方向的偏導數。上式表明相對流線方向的旋渦是由兩個因素產生：一是為具有半徑Rn的流線曲率，另一是旋轉角速度ω引起的。

旋轉滯止壓力I是動壓力EMBEDEquation.2和折算靜壓力EMBEDEquation.2之和，粘性的作用使I下降。由于在葉輪流道旋轉邊界層內存在較大的相對速度梯度，因此具有均勻折算靜壓的邊界層內I的zui小值出現在壁面上，其值等于p*。

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考慮葉輪流道的B-B流動，假設由于進口管壁面的摩擦已經產生了如圖所示的速度剖面，考慮B-B的流道的一個流面ABCD，靠近葉輪流道外直徑的A點，流線曲率由葉片曲率產生，次法線方向的旋轉壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的，*項產生的正的流線方向的旋轉分量EMBEDEquation.2。而在靠近內直徑處的B點，引起負的EMBEDEquation.2，其結果是形成前蓋板及后蓋板表面邊界層上的二次流，使前、后蓋板表面邊界層內的低I微團流到非工作面上，并且從連續(xù)性出發(fā)也把工作面上的低I微團驅趕到非工作面上去，這樣就增厚了非工作面上的邊界層。由于I梯度與ω幾乎垂直，由式(2-1)的第二項引起的二次流較小。由于在葉輪出口處的C、D兩點位于流道的徑流部位，因此主要由第二項引起如圖所示方向的正、負EMBEDEquation.2和二次流，這樣也就把前、后蓋板邊界層內低能微團驅趕到非工作面上去，增加了非工作面上的邊界層。

將同樣的分析方法應用于子午平面內，當流線由軸向向徑向拐彎時，在工作面和非工作面邊界層上形成二次流旋渦，它們把工作面和非工作面上邊界層內的低I微團驅趕到前蓋板上，增厚了前蓋板表面的邊界層。

上面分析可以得出產生流線方向上二次流旋渦有三個來源：

1)彎曲葉片；它使流動從進口沖角方向轉到軸線方向，把前、后蓋板表面上邊界層內的低I流體微團驅趕到非工作面上，由于工作面邊界層內的低I流體微團是不穩(wěn)定的，因此也被驅趕到非工作面上。

2)軸向向徑向拐彎；由于子午面上前后蓋板型線存在曲率，把工作面和非工作面以及后蓋板表面上邊界層內的低I流體微團轉移到前蓋板表面。

3)旋轉；隨著流動從軸向到徑向，旋轉對二次流旋渦的貢獻不斷增加，哥氏力產生的二次流使低I流體從前、后蓋板表面以及不穩(wěn)定的工作面表面的低I流體轉移到非工作面上

由于分層效應的影響，使高能流體微團在工作面和后蓋板一側積聚，促使來流速度加快，并且邊界層增長緩慢，減少了分離傾向。而在非工作面和前蓋板一側則有低能流體微團積聚，從而降低了來流速度，加劇了邊界層增長，助長了邊界層分離傾向。

3.尾流-射流結構與流動分離

上面已經提及離心葉輪通道內的流動基本上是由相對較小的尾流區(qū)和近似于無粘的射流區(qū)組成，考慮到真實流體的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了邊界層，在葉片曲率以及旋轉的作用下，非工作面上的邊界層由于二次流的影響越來越厚，有容易在某一小流量下發(fā)生失速現象，從而導致邊界層分離。

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