如何控制油泵不穩(wěn)定特性及試驗(yàn)研究
產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理
產(chǎn)生小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要是誘導(dǎo)輪進(jìn)口前緣外徑處產(chǎn)生的回旋流、離心輪進(jìn)口的回流、葉輪道里的二次流、葉輪道內(nèi)的尾跡-射結(jié)構(gòu)與動(dòng)分離、以及葉輪與蝸殼聯(lián)合工作時(shí)出現(xiàn)的葉輪出口二次等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區(qū)的揚(yáng)程和效率下降，因此就很容易使高速離心油泵特性線出現(xiàn)正斜率上升段，從而使高速離心泵在小流量工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。下面就對(duì)這幾種不穩(wěn)定因素的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡述。
1.進(jìn)口回的機(jī)理
關(guān)于葉輪進(jìn)口回生的機(jī)理國內(nèi)外許多學(xué)者作了研究。Stepanoff是較早對(duì)離心泵葉輪進(jìn)口回流機(jī)理進(jìn)行研究的學(xué)者之一，他認(rèn)為液體流動(dòng)是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時(shí)，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進(jìn)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(dòng)所必須的能量坡度不在存在，泊泰邦因此就在葉輪進(jìn)口附近的液流發(fā)生倒流。Fraser認(rèn)為離心揚(yáng)程對(duì)于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動(dòng)揚(yáng)程是流量的函數(shù)，在揚(yáng)程流量曲線上某些點(diǎn)，動(dòng)揚(yáng)程一旦超過離心揚(yáng)程，那么在這些點(diǎn)壓力梯度反向，導(dǎo)致了流動(dòng)方向相反，即產(chǎn)生回流現(xiàn)象。
由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)往往采用正沖角方法,即為了保證誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程能夠滿足離心輪進(jìn)口的能量要求,取誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口角大于液流角,同時(shí)為使離心輪獲得較好的汽蝕性能,也取其葉片進(jìn)口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率,在設(shè)計(jì)超低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)普遍采用加大流量設(shè)計(jì),這就使運(yùn)行工況下的實(shí)際液流角小于設(shè)計(jì)工況下的液流角,這樣就使誘導(dǎo)輪和離心輪進(jìn)口前緣都具有不均勻的圓周速度分量,從而產(chǎn)生繞流線的旋渦。因此誘導(dǎo)輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上也就是由于旋轉(zhuǎn)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(yīng)
現(xiàn)在的流場分析與流動(dòng)測試研究已表明離心葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)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(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，葉輪內(nèi)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(dòng)分離和分層效應(yīng)等因素相互影響相互促進(jìn)而形成的。
將同樣的分析方法應(yīng)用于子午平面內(nèi)，導(dǎo)熱油泵當(dāng)流線由軸向向徑向拐彎時(shí)，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(nèi)的低I微團(tuán)驅(qū)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(chǎn)生流線方向上二次流旋渦有三個(gè)來源：
1)彎曲葉片；它使流動(dòng)從進(jìn)口沖角方向轉(zhuǎn)到軸線方向，把前、后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上，由于工作面邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)是不穩(wěn)定的，因此也被驅(qū)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(nèi)的低I流體微團(tuán)轉(zhuǎn)移到前蓋板表面。
3)旋轉(zhuǎn)；隨著流動(dòng)從軸向到徑向，旋轉(zhuǎn)對(duì)二次流旋渦的貢獻(xiàn)不斷增加，哥氏力產(chǎn)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(zhuǎn)移到非工作面上
由于分層效應(yīng)的影響，使高能流體微團(tuán)在工作面和后蓋板一側(cè)積聚，熱油泵促使來流速度加快，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(cè)則有低能流體微團(tuán)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(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離
上面已經(jīng)提及離心葉輪通道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)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(shí)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(zhuǎn)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(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊界層分離。
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