CN113309711B - 一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法及其模型泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法及其模型泵，采用粒子图像测速方法拍摄得到离心泵叶轮内部流场情况，利用MATLAB处理得到叶片载荷分布曲线，结合判定条件(叶片载荷最大值与叶片进口载荷值之差同叶片载荷最大值之比
最大叶片载荷值对应的r/rm值0.80＜κ＜0.85；无量纲化叶片载荷值φ介于0.002与0.004之间)可以快速判断所需检测的离心泵叶轮是否发生不稳定流动。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械、离心泵技术领域，其涉及一种叶轮不稳定流动检测方法，具体涉及一种基于叶片载荷分布的离心泵叶轮不稳定流动检测方法及其模型泵。
背景技术
离心泵作为通用机械已经广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在国防、水利、航天、石油化工等领域发挥着非常重要的作用。泵内部的复杂流动是影响泵稳定运行的主要因素，而叶轮作为泵工作的核心，是最主要的过流部件和做功部件，也是产生能量损失的主要部件。一般地，泵在偏离设计工况下运行时，泵内存在旋转失速、回流等极不稳定的流动现象，诱发离心泵及其管路***发生低频压力脉动，并诱导噪声、振动和非定常流体力的产生，产生强烈机械振动，消耗大量能量，降低泵的运行可靠性和工作性能，不利于泵的安全稳定运行。
泵的性能曲线并不能很好地反映小流量下旋转失速和回流等不稳定流动，而扩压因子作为叶轮流动失速的判据也因为表达式的复杂而可操作性不高。因此需要简单有效的判断方法来快速判断叶轮是否发生流动失速，以减少离心泵不稳定流动造成的压力脉动所带来的不利影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法及其模型泵，利用粒子图像测速方法(PIV)结合叶片载荷分布的三项判定准则可以快速判断所检测叶轮是否发生不稳定流动。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其包括以下步骤：
(1)判定条件一：叶片载荷最大值与叶片进口载荷值之差同叶片载荷最大值之比
其中Fmax为叶片载荷最大值，Fin为叶片进口处的叶片载荷值；
(2)判定条件二：最大叶片载荷值对应的r/rm值κ在0.8与0.85之间，其中r为叶片型线不同计算点所对应的半径值，rm为叶轮半径；
(3)判定条件三：叶片载荷无量纲值φ介于0.002与0.004之间，其中
F为半径值r处的叶片载荷值，w为角速度值，rm为叶轮半径；
(4)若对于所需检测的叶轮在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么叶轮处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则叶轮处于不稳定流动转状态。
进一步地，还包括以下步骤：
(5)搭建离心泵叶轮不稳定流动检测实验台；
(6)实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，叶轮含有沿圆周间隔均布的任意基/偶数量的叶片，泵盖通过螺栓、调节垫连接在泵体上，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
(7)对于不同的检测叶轮，加工制作与模型泵泵轴和叶轮相匹配的连接件螺母、调节垫，将连接件螺母和叶轮连接到泵轴上，并安装上调节垫、泵盖；
(8)进行叶轮不稳定流动检测实验。
进一步地，其中步骤(8)包括：
进行离心泵叶轮的外特性实验，获取最佳流量值Qd；在最佳流量工况下，采用高速相机拍摄叶轮内部流场，(通过DaVis)获取相应的流场速度场，对速度场进行平均处理，得到流道的平均速度分布；为了得到流道从叶轮进口到出口的绝对速度平均分布值，选取其中的一个流道，令从吸力面到压力面为叶轮展向方向，从进口到出口为叶轮径向方向；以叶轮中心为圆心，用1mm为相邻间隔的同心圆将流道径向划分为44份；将进出口圆弧等分为21个计算点，连接进口与出口相匹配的计算点形成展向方向的21条圆弧曲线；完成以上网格划分得到924个速度计算点，网格上的速度值通过流道内平均速度分布值插值得到，插值方法采用cubic三次样条差值法；将展向的21份数据平均，得到从进口到出口的该流道径向子午线上的绝对速度的平均值分布：
减去相应的叶轮圆周速度u(x，y)，求得叶轮的平均相对速度场：
wm(x，y)＝v(x，y）-u(x，y)
根据速度三角形，求得平均绝对速度的切向分量乘以r得到速度环量，对速度环量求偏导，带入叶片载荷公式得到叶片载荷值：
式中p+和p-分别为叶片压力面和吸力面的压力，F为叶片载荷值，Z为叶片数，wm为相对速度，ρ为水的密度，rVθ为速度环量，m为无量纲子午线距离，r为半径值；
根据叶片载荷公式，用MATLAB编写、绘制出叶片载荷分布曲线，叶片载荷无量纲值分布曲线，结合上述三项判定条件，可在MATLAB中迅速显示出判定结果。
进一步地，还包括：根据以上的操作步骤，在MATLAB中编写一个检测离心泵叶轮不稳定流动程序，并出厂为判断检测软件；具体操作为在该检测软件***中输入实验相关离心泵转速、流量大小、导入流场数据，便可以直接在MATLAB显示叶轮是否存在不稳定流动。
进一步地，其中，模型泵(9)包括叶轮(10)、泵盖(11)、泵轴(12)、连接件螺母(13)、限位套(14)、泵体(15)、叶轮腔(18)、衬板(19)、进口圈(22)、连接筒(23)，泵体的右端台阶部安装有衬板，衬板与泵盖之间构成叶轮腔，叶轮腔(18)内安装有叶轮，泵轴上安装有限位套；叶轮的前盖板径向内侧具有进口圈，叶轮的中心具有连接筒，泵轴包括依次连接的第一轴段(121)、第二轴段(122)、第三轴段(123)，第一轴段具有第一外螺纹(12a)，限位套分别与第二轴段、第三轴段相配合，连接件螺母的一端具有内螺纹孔(13a)，连接件螺母的外周具有第二外螺纹(13b)，第一外螺纹与内螺纹孔相配合/螺纹匹配，第二外螺纹与连接筒的内螺纹孔相配合/螺纹匹配，连接筒一端与第二轴段相配合。
进一步地，泵体与泵盖之间通过多个螺栓(20)相连接，泵体与泵盖之间的安装接合面设置有调节垫(21)，可更换/安装不同厚度的调节垫(21)。
进一步地，检测实验装置包括计算机(1)、同步器(2)、激光器(3)、高速相机(4)、模型泵实验台(5)、储水箱(6)、电机(7)、扭矩仪(8)、模型泵(9)，计算机分别与同步器、高速相机相连接，同步器与激光器相连接，电机通过扭矩仪与模型泵相连接，电机、扭矩仪、模型泵安装/固定于模型泵实验台上，储水箱与检测模型泵相连接。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明是一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，采用粒子图像测速技术结合MATLAB软件绘制出叶片载荷分布曲线，用叶片载荷分布判定条件/准则快速判断叶轮是否存在不稳定流动状态；用实验室模型泵来检测叶轮不稳定流动，为监测离心泵内部流动不稳定，也为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。
(2)对于不同叶轮直径、不同叶轮出口宽度的多个/一系列叶轮(检测叶轮)，通过连接件螺母、调节垫的设计便于安装、检测不同叶轮直径和/或不同叶轮出口宽度的叶轮。只需要在检测叶轮的连接筒加工与连接件螺母的外螺纹相匹配的螺纹孔，并更换/安装不同厚度的调节垫即可。结构简单、安装/拆卸、维护方便，节约成本。
附图说明
图1为本发明离心泵叶轮不稳定流动检测判定流程图；
图2为本发明离心泵叶轮不稳定流动检测实验装置原理示意图；
图3为本发明模型泵结构示意图；
图4为本发明连接件螺母放大结构示意图；
图5为本发明流道绝对速度计算划分图；
图6为本发明叶片载荷分布曲线图；
图7为本发明ψ-r/rm-Qd曲线图；
图8为本发明无量纲化载荷分布曲线图；
图9为本发明离心泵各叶轮流道相对速度图。
图中：计算机1、同步器2、激光器3、高速相机4、模型泵实验台5、储水箱6、电机7、扭矩仪8、检测模型泵9、叶轮10、泵盖11、泵轴12、第一轴段121、第二轴段122、第三轴段123、第一外螺纹12a、连接件螺母13、内螺纹孔13a、第二外螺纹13b、限位套14、泵体15、泵轴-连接件螺母啮合区域16、叶轮-连接件螺母啮合区域17、叶轮腔18、衬板19、螺栓20、调节垫21、进口圈22、连接筒23。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，检测实验装置包括计算机1、同步器2、激光器3、高速相机4、模型泵实验台5、储水箱6、电机7、扭矩仪8、检测模型泵9，计算机1分别与同步器2、高速相机4相连接，同步器2与激光器3相连接，电机7通过扭矩仪8与检测模型泵9相连接，电机7、扭矩仪8、检测模型泵9安装/固定于模型泵实验台5上，储水箱6与检测模型泵9相连接。
本检测实验装置的PIV(粒子图像测速方法)测试***为德国Lavision公司生产，PIV测试***包括计算机1，激光器3，同步器2，两台高速摄像机4，示踪粒子。实验激光片光源厚度为1mm，实验偏差在0.2mm内；示踪粒子所选取的材料为固体氧化铝颗粒，密度为1050kg/m3，粒径为20-60μm。
如图3-4所示，一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法的模型泵，模型泵9包括叶轮10、泵盖11、泵轴12、连接件螺母13、限位套14、泵体15、叶轮腔18、衬板19、进口圈22、连接筒23，泵体15的右端台阶部安装有衬板19，衬板19与泵盖11之间构成叶轮腔18，叶轮腔18内安装有叶轮10，泵轴12上安装有限位套14；叶轮10的前盖板径向内侧具有进口圈22，叶轮10的中心具有连接筒23，泵轴12包括依次连接的第一轴段121、第二轴段122、第三轴段123，第一轴段121具有第一外螺纹12a，限位套14分别与第二轴段122、第三轴段123相配合，连接件螺母13的一端具有内螺纹孔13a，连接件螺母13的外周具有第二外螺纹13b，第一外螺纹12a与内螺纹孔13a相配合/螺纹匹配，第二外螺纹13b与连接筒23的内螺纹孔相配合/螺纹匹配，连接筒23一端与第二轴段122相配合。
泵体15与泵盖11之间通过多个螺栓20相连接，泵体15与泵盖11之间的安装接合面设置有调节垫21，可更换/安装不同厚度的调节垫21。
对于不同叶轮直径、不同叶轮出口宽度的多个/一系列叶轮(检测叶轮)，通过连接件螺母13、调节垫21的设计便于安装、检测不同叶轮直径和/或不同叶轮出口宽度的叶轮。只需要在检测叶轮的连接筒23加工与连接件螺母13的外螺纹13b相匹配的螺纹孔，并更换/安装不同厚度的调节垫21即可。结构简单、安装/拆卸、维护方便，节约成本。
对于进行实验检测的某一叶轮，叶片进口半径28mm，叶片出口半径71mm，叶片厚度7mm，叶片数Z为5，进口安放角28°，出口安放角34°。
如图3-4所示，在叶轮10装进模型泵时匹配合适的连接键螺母13、调节垫21，确保该型号的叶轮能够匹配上实验固定型号的模型泵。连接件螺母13位于叶轮的连接筒23内部，原材料为45号钢，经过调质处理，在机械性能满足实验需求的情况下对入口主流道流动不会造成任何影响。泵轴12通过限位套14安装在泵体15内，叶轮10和泵盖11均采用有机透明材料制成，实验检测液体为水。完成连接件螺母13和叶轮10组装后，通过螺栓20将泵盖11、调节垫21连接到泵体15上，进行叶轮不稳定流动检测实验。
如图1所示，一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其包括以下步骤：
(1)判定条件一：叶片载荷最大值与叶片进口载荷值之差同叶片载荷最大值之比
其中Fmax为叶片载荷最大值，Fin为叶片进口处的叶片载荷值；
(2)判定条件二：最大叶片载荷值对应的r/rm值κ在0.8与0.85之间，其中r为叶片型线不同计算点所对应的半径值，rm为叶轮半径；
(3)判定条件三：叶片载荷无量纲值φ介于0.002与0.004之间，其中
F为半径值r处的叶片载荷值，w为角速度值，rm为叶轮半径；
(4)若对于所需检测的叶轮在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么叶轮处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则叶轮处于不稳定流动转状态。
进一步地，还包括以下步骤：
(5)搭建离心泵叶轮不稳定流动检测实验台；
(6)实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，叶轮含有沿圆周间隔均布的任意基/偶数量的叶片，泵盖通过螺栓、调节垫连接在泵体上，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
(7)对于不同的检测叶轮，加工制作与模型泵泵轴和叶轮相匹配的连接件螺母、调节垫，将连接件螺母和叶轮连接到泵轴上，并安装上调节垫、泵盖；
(8)进行叶轮不稳定流动检测实验。
进一步地，其中步骤(8)包括：
进行离心泵叶轮的外特性实验，获取最佳流量值Qd；在最佳流量工况下，采用高速相机拍摄叶轮内部流场，(通过DaVis)获取相应的流场速度场，对速度场进行平均处理，得到流道的平均速度分布；为了得到流道从叶轮进口到出口的绝对速度平均分布值，选取其中的一个流道，令从吸力面到压力面为叶轮展向方向，从进口到出口为叶轮径向方向；以叶轮中心为圆心，用1mm为相邻间隔的同心圆将流道径向划分为44份；将进出口圆弧等分为21个计算点，连接进口与出口相匹配的计算点形成展向方向的21条圆弧曲线；完成以上网格划分得到924个速度计算点，网格上的速度值通过流道内平均速度分布值插值得到，插值方法采用cubic三次样条差值法；将展向的21份数据平均，得到从进口到出口的该流道径向子午线上的绝对速度的平均值分布：
减去相应的叶轮圆周速度u(x，y)，求得叶轮的平均相对速度场：
wm(x，y)＝v(x，y)-u(x，y)
根据速度三角形，求得平均绝对速度的切向分量乘以r得到速度环量，对速度环量求偏导，带入叶片载荷公式得到叶片载荷值：
式中p+和p-分别为叶片压力面和吸力面的压力，F为叶片载荷值，Z为叶片数，wm为相对速度，ρ为水的密度，rVθ为速度环量，m为无量纲子午线距离，r为半径值；
根据叶片载荷公式，用MATLAB编写、绘制出叶片载荷分布曲线，叶片载荷无量纲值分布曲线，结合上述三项判定条件，可在MATLAB中迅速显示出判定结果。
对检测模型泵进行外特性研究，对应的最佳流量值Qd＝1.8m3/h，通过控制***调节离心泵转速为1000r/min进行测试实验。用高速相机拍摄叶轮的实时内部流动情况，如图5所示划分计算点，处理得到平均速度场分布，在MATLAB中获取叶片载荷分布曲线如图6所示，并绘制出相应的ψ-r/rm-Qd曲线如图7所示和叶片载荷无量纲曲线如图8所示。
如图6-8所示：
(a)叶片载荷最大值与叶片进口载荷值之差同叶片载荷最大值之比ψ：在0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd时，Qd为流量值，ψ分别为0.441，0.367，0.365均小于0.45；而在0.2Qd、0.4Qd、0.6Qd，ψ分别为0.536，0.545，0.480，大于0.45。
(b)在0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd对应的最大叶片载荷值对应的r/rm为0.802、0.835、0.842、0.823，处于范围之内；0.2Qd、0.4Qd对应的最大叶片载荷值对应的r/rm为0.781、0.793，不在范围内。
(c)0.8Qd-1.2Qd的φ介于0.002与0.004之间，符合要求；0.2-0.6Qd的φ明显超出范围。
根据判定条件/准则，结合(a)(b)(c)可以判断0.8Qd-1.2Qd叶轮处于稳定流动状态。
该叶轮转速为1000r/min时，6个流量工况下的实际真实结果如图9所示，0.8Qd-1.2Qd工况下，离心泵叶轮确实处于稳定流动状态；而其他的三个工况下，叶轮的流道中出现了很多个分离涡结构，处于不稳定流动状态。
最后，根据以上的操作步骤，在MATLAB中编写一个检测离心泵叶轮不稳定流动程序，并出厂为判断检测软件；具体操作为在该检测软件***中输入实验相关离心泵转速、流量大小、导入流场数据，便可以直接在MATLAB显示叶轮是否存在不稳定流动。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明是一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，采用粒子图像测速技术结合MATLAB软件绘制出叶片载荷分布曲线，用叶片载荷分布判定条件/准则快速判断叶轮是否存在不稳定流动状态；用实验室模型泵来检测叶轮不稳定流动，为监测离心泵内部流动不稳定，也为工程上指导泵的实际运行提供依据，从而对离心泵的性能及故障诊断进行深入分析，在很大程度上检测了泵是否稳定运行，不仅提高了泵的使用效率，也对泵起到很好的保护作用。
(2)对于不同叶轮直径、不同叶轮出口宽度的多个/一系列叶轮(检测叶轮)，通过连接件螺母、调节垫的设计便于安装、检测不同叶轮直径和/或不同叶轮出口宽度的叶轮。只需要在检测叶轮的连接筒加工与连接件螺母的外螺纹相匹配的螺纹孔，并更换/安装不同厚度的调节垫即可。结构简单、安装/拆卸、维护方便，节约成本。
上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其包括以下步骤：
(1)判定条件一：叶片载荷最大值与叶片进口载荷值之差同叶片载荷最大值之比
其中Fmax为叶片载荷最大值，Fin为叶片进口处的叶片载荷值；
(2)判定条件二：最大叶片载荷值对应的r/rm值κ在0.8与0.85之间，其中r为叶片型线上不同计算点所对应的半径值，rm为叶轮半径值；
(3)判定条件三：叶片载荷无量纲值φ介于0.002与0.004之间，其中
F为半径值r处的叶片载荷值，w为角速度值，rm为叶轮半径值；
(4)若对于所需检测的叶轮在不同工况下，同时满足以上三条判定条件，那么叶轮处于稳定流动状态；若不满足其中任意一条判定条件，则叶轮处于不稳定流动转状态。
2.如权利要求1所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，还包括以下步骤：
(5)搭建离心泵叶轮不稳定流动检测实验台；
(6)实验检测采用不同尺寸规格的离心泵叶轮，叶轮含有沿圆周间隔均布的任意奇/偶数量的叶片，泵盖通过螺栓、调节垫连接在泵体上，泵盖和叶轮都是由透明有机玻璃制成，检测实验所用液体为水；
(7)对于不同的检测叶轮，加工制作与模型泵泵轴和叶轮相匹配的连接件螺母、调节垫，将连接件螺母和叶轮连接到泵轴上，并安装上调节垫、泵盖；
(8)进行叶轮不稳定流动检测实验。
3.如权利要求2所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其中步骤(8)包括：
进行离心泵叶轮的外特性实验，获取最佳流量值Qd；在最佳流量工况下，采用高速相机拍摄叶轮内部流场，获取相应的流场速度场，对速度场进行平均处理，得到流道的平均速度分布；为了得到流道从叶轮进口到出口的绝对速度平均分布值，选取其中的一个流道，令从吸力面到压力面为叶轮展向方向，从进口到出口为叶轮径向方向；以叶轮中心为圆心，用1mm为相邻间隔的同心圆将流道径向划分为44份；将进出口圆弧等分为21个计算点，连接进口与出口相匹配的计算点形成展向方向的21条圆弧曲线；完成以上网格划分得到924个速度计算点，网格上的速度值通过流道内平均速度分布值插值得到，插值方法采用cubic三次样条差值法；将展向的21份数据平均，得到从进口到出口的该流道径向子午线上的绝对速度的平均值分布：
减去相应的叶轮圆周速度u(x，y)，求得叶轮的平均相对速度场：
wm(x，y)＝v(x，y)-u(x，y)
根据速度三角形，求得平均绝对速度的切向分量乘以r得到速度环量，对速度环量求偏导，带入叶片载荷公式得到叶片载荷值：
式中p+和p-分别为叶片压力面和吸力面的压力，F为叶片载荷值，Z为叶片数，wm为相对速度，ρ为水的密度，rVθ为速度环量，m为无量纲子午线距离，r为半径值；
根据叶片载荷公式，用MATLAB编写、绘制出叶片载荷分布曲线，叶片载荷无量纲值分布曲线，结合上述三项判定条件，可在MATLAB中迅速显示出判定结果。
4.如权利要求3所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其特征在于，还包括：根据以上的操作步骤，在MATLAB中编写一个检测离心泵叶轮不稳定流动程序，并出厂为判断检测软件；具体操作为在该检测软件***中输入实验相关离心泵转速、流量大小、导入流场数据，便可以直接在MATLAB显示叶轮是否存在不稳定流动。
5.如权利要求2所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其特征在于，其中，模型泵(9)包括叶轮(10)、泵盖(11)、泵轴(12)、连接件螺母(13)、限位套(14)、泵体(15)、叶轮腔(18)、衬板(19)、进口圈(22)、连接筒(23)，泵体的右端台阶部安装有衬板，衬板与泵盖之间构成叶轮腔，叶轮腔18内安装有叶轮，泵轴上安装有限位套；叶轮的前盖板径向内侧具有进口圈，叶轮的中心具有连接筒，泵轴包括依次连接的第一轴段(121)、第二轴段(122)、第三轴段(123)，第一轴段具有第一外螺纹(12a)，限位套分别与第二轴段、第三轴段相配合，连接件螺母的一端具有内螺纹孔(13a)，连接件螺母的外周具有第二外螺纹(13b)，第一外螺纹与内螺纹孔相配合/螺纹匹配，第二外螺纹与连接筒的内螺纹孔相配合/螺纹匹配，连接筒一端与第二轴段相配合。
6.如权利要求5所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其特征在于，泵体与泵盖之间通过多个螺栓(20)相连接，泵体与泵盖之间的安装接合面设置有调节垫(21)，可更换/安装不同厚度的调节垫(21)。
7.如权利要求6所述的一种离心泵叶轮不稳定流动检测方法，其特征在于，检测实验装置包括计算机(1)、同步器(2)、激光器(3)、高速相机(4)、模型泵实验台(5)、储水箱(6)、电机(7)、扭矩仪(8)、模型泵(9)，计算机分别与同步器、高速相机相连接，同步器与激光器相连接，电机通过扭矩仪与模型泵相连接，电机、扭矩仪、模型泵安装/固定于模型泵实验台上，储水箱与检测模型泵相连接。
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