PIV测量用模型泵的水力设计及性能分析.pdf

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1、第37卷第4期化工机械439PIV测量用模型泵的水力设计及性能分析靳茂明+宋高峰王志亮(江苏省特种设备安全监督检验研究院)摘要为了研究离心泵内部流动情况，参考1S80-50．315型离心泵，设计了一台PIV测量用有机玻璃模型泵。并对该泵的可拍摄性和水力性能进行了分析。介绍了模型泵、片光和CCD相机的布置及其流场拍摄方法。结果表明，该泵适用于PIV拍摄，且水力性能满足实验要求。关键词PIV离心泵水力设计性能分析中图分类号TQ051．2l文献标识码A文章编号0254-6094(2010)04-0439-05PIV(ParticleImageVelocimetry)是进行

2、离心泵内部流场研究的一种有效手段，它可以获得平面流场的整体结构和瞬态图像‘“。利用PIV测量离心泵内部流场时，模型泵的合理设计是测量成功的关键。模型离心泵的结构不能过于复杂，结构复杂不利于有机玻璃加工，也不利于PIV的光学测量。模型泵的结构也不能过于简化，简化太多，不但会将大大降低泵的效率，而且试验结果不能真实反映实型泵内的流动情况，从而失去试验研究的意义。所以模型泵不能完全按照实型泵进行测绘制造，必须兼顾泵的可测量性能与水力性能。本文在参考文献[2，3]并结合IS80．50．315型实型泵结构的基础上，采用单圆弧圆柱叶片，设计了一台PIV测量用模型泵。1基本方程无

3、限叶片数时离心泵的理论扬程为：1日T。=÷(M2t，2。。一U1秽l。。)(1)g式中Ⅱ：——叶片出口牵引速度；t，：。。——无限叶片出El处液体绝对速度的周向分量；IA,，——叶片进口牵引速度；13，。。——无限叶片进口处液体绝对速度的周向分量。当不考虑泄漏损失时，泵的体积流量Q为：Q=21Tr2b2口2，。(2)式中r2——叶片出口半径；’b：——叶片出口宽度；移：。——无限叶片出口处液体绝对速度的径向分量。考虑到水力损失，离心泵的实际扬程为：日=‰胁=(字一t02Q删ctgfl：2,尸／。(3)式中p——有限叶片叶轮理论扬程的修正系数，计算公式参见文献[4]；

4、叼。——水力效率；∞——叶轮旋转角速度；JB：，——叶片出口安装角。2模型泵结构方案和主要参数的确定从方便拍摄和易于加工的角度出发，采用圆柱形吸水室、矩形截面蜗室、半开式叶轮。此外，考虑到有机玻璃的强度，泵的转速不能太高，设计转速为1450r／min。2．1吸水室几何尺寸的确定吸水室中的速度较小，因而水力损失和压水室相比要小得多，但是吸水室中的流动状态直接影响叶轮中的流动情况，对泵的效率有一定的影·靳茂明，男，1968年5月生，工程师。江苏省南京市，210003。4,10化工机械2010焦响，尤其对泵的汽蚀性能影响较大。因此，所设计的吸水室需满足叶轮进El和吸水室内

5、速度分布均匀，大小适当，水力损失小的要求。选定吸人流速后，依据泵的流量Q=25m3／h，就可计算出泵的进口直径。参考IS80—50-315型离心泵的结构，并考虑到实际管道的尺寸，本模型泵进口直径取D．=80mm。2．2叶轮叶片几何尺寸的确定2．2．1叶片进口直径在离心泵中，通常叶片进口处压强最低，因此叶片进口附近是易发生汽蚀的部位，o所以选择合适的叶片进口直径有利于提高泵的抗汽蚀性能，保证泵的正常运行。实验研究结果表明，最佳叶片进1：3直径D。可按如下经验公式计算"o：，n、÷D。=2．075f旦l(4)、n，，参考IS80．50．315型离心泵，由上式计算可得，D

6、1=74．2mm。考虑到圆柱形吸水室有利于PIV拍摄，且加工方便，选择叶片进口直径与吸水室进口管直径相同，即取D，=80mm。2．2．2叶片进口宽度和叶片进口安放角引入面积比系数f，f为叶轮进I：I面积与叶片进口环形面积之比，即：亭=}D12／xtDl6l(5)得到堕：万1(6)Dl4孝、7由进口处由连续性方程可得：和。2铲xrD⋯bl，(7)式中％——叶轮进口轴向速度；秽h——叶片进I：1处液体绝对速度的径向分量。由式(6)和式(7)可知，当bi／D-<寺时fflr>秽。(孝>1)，即液流转弯时伴随着加速；当bi／D。>寺时，移-r

7、随着减速。本文拟采用均速流场即％=秽h，于是：鲁=÷㈤D．4、。7所以，叶片的进口宽度b。=20ram。叶片进口处的周向速度与径向速度有如下关系：帆2赢c‘酗·(9)Z订rlDl由式(8)和(9)可得：Di=2㈦丁(等)3㈣，将式(4)代入上式得到口，=15．90。为了改善叶轮的抗汽蚀性能，尤其是大流量(Q>Q设计)时的汽蚀性能，通常取叶片进口安装角卢。，大于液流角卢。，即在设计流量下液流以正冲角(／3。，>／3。)进入叶片。考虑到进口叶片的排挤作用会使液流角稍增大这一实际情况，拟采用5。正冲角。因此，叶片进口安装角可取口。，=20．9。。2．2．3叶片数叶片数