混流泵效率特性的預測與實測特性的比較

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tags: 混流泵    時間:2014-03-11 12:56:13
混流泵效率特性的預測與實測特性的比較簡介
    混流泵效率特性的預測與實測特性的比較 錢 曉 徐天茂 張賽珍 王 煜雲南工業大學 昆明 650051 一、前 言   A.DE.KO……
混流泵效率特性的預測與實測特性的比較正文
    混流泵效率特性的預測與實測特性的比較 錢 曉 徐天茂 張賽珍 王 煜
雲南工業大學 昆明 650051

一、前 言


A.DE.KOVATS方法是預測泵特性的傳統方法,得到廣泛地使用。但是這種方法認為容積效率是一個常數,對預測的精度有一定的影響,為了既保持A.DE.KOVATS方法簡單實用的優點,又提高預測精度,此處引入葉片尖端間隙數值解析法預測其中的容積效率,可以直接從葉片尖端間隙的大小計算出容積效率。因為實驗證明在葉片尖端間隙滿足工程要求,且不太大的情況下,容積效率的預測精度較高,所以對A.DE.KOVATS方法加以改進之後,不僅同樣可以預測出泵的特性曲線,而且可提高預測精度。通過對一個系列四個不同比轉速導葉式混流泵效率特性的預測,並與實測結果的比較,在設計流量點,單純用A.DE.KOVATS方法時,預測值與實測值的誤差為-5%~+6%之間,改進之後,誤差縮小到了-3%~+4%之間,預測精度可提高2%。

二、數學模型


水力機械,包括水輪機和水泵的總效率ηT為水力效率ηh,容積效率ηv和機械效率ηm三者的乘積。為了預測總效率ηT,必須首先分別預測出水力效率ηh,容積效率ηv和機械效率ηm

1、水力效率ηh的預測

泵的水力損失包括由葉片厚度引起的局部損失hid,以及摩擦損失hif和撞擊損失his,水力效率的預測採用A*DE*KOVATS方法,其數學模型詳見文獻[1][2]。

2、容積效率ηv的預測

泵的容積損失是由葉片尖端間隙處的流量泄漏造成的,容積效率的預測採用葉片尖端間隙對混流泵效率特性的影響一文中提供的數學模型,詳見文獻[3]。

3、機械效率ηm的預測

泵的機械損失包括園盤摩擦損失,以及軸承和填料函的摩擦損失,根據A*DE*KOVATS方法,克服園盤摩擦損失所必須消耗的功率為


上式中係數C=3.4×10-6,其餘尺寸和數據可由設計資料查得。

混流泵為開敞式葉輪,只需取其一半即可,所以


克服軸承和填料函摩擦損失所必須消耗的功率假定為Pm=0.4kW不變。總的機械功率損失為Pf=Pf1+Pm,而理論功率Pu=0.163×H×Q kW,所以機械效率


上式中P為軸功率。

三、用A.DE.KOVATS方法預測的理論特性及

與實測特性的比較
因為混流泵的流道比較寬,所以把它分割成a、b、c、d、e五個局部流線泵,對每個局部流線泵先算出理論揚程~流量(Hthx~Qx)曲線,再逐一扣除由於葉片厚度引起的局部損

表1 四個混流泵設計流量點總效率預測值與實測值比較表

比轉速(m.kW)總效率 預測值ηT 實測值η ηT-η ns310 77% 76% +1% ns400 69% 74% -5% ns488 77% 75% +2% ns577 80% 74% +6%

 

失~流量(hidx~Qx)、摩擦損失~流量(hifx~Qx)和撞擊損失~流量(hisx~Qx)曲線,就可以得到局部流線泵的揚程~流量(Hx~Qx)曲線。再按照a、b、c、d、e五個局部流線泵並聯運行的原則,就可以合成出整台混流泵的揚程一流量(H~Q)、軸功率~流量(Ld~Q)和總效率~流量(ηT~Q)特性曲線。理論特性曲線的詳細繪製方法,參見文獻[2]。必須特別指出的是這種方法假定容積效率ηv=97%,為常數,所以對預測精度有一定的影響。一個系列四個不同比轉速混流泵的理論特性曲線,以及與實測特性曲線的比較見圖1。在設計流量點,總效率的理論值ηT與總效率的實測值η以及它們的差值列於表1之中。由表1可見其誤差在-5%+6%之間。

(a)ns310混流泵特性曲線

(b)ns400混流泵特性曲線

(c)ns488混流泵特性曲線

(d)ns577混流泵特性曲線

四個混流泵特性曲線

四、引入葉片尖端間隙預測容積效率後效率特性的預測和與實測特性的比較

1.水力效率ηh的預測

在A.DE.KOVATS方法已繪製出五個局部流線泵揚程~流量(Hx~Qx)曲線的基礎上,分別讀出設計流量點所對應的理論揚程Hthx和扣除了各種水力損失以後的揚程Hx,就可以計算出各局部流線泵的水力效率ηhx。由於各條流線的軸面速度不同,採用軸面速度與流道寬度加權平均的方法,可進一步計算出混流泵的水力效率ηh,現以ns310混流泵為例,其設計流量點各條流線的水力效率ηhx的計算方法列於表2之中。

表2 ns310局部流線泵設計流量點水力效率計算表

局部流線泵名稱 理論揚程

Hthx(m)

揚 程
Hx(m) 水力效率
ηhx=(Hx)/(Hthx) a

6.62

4.70

71.0%

b 6.67 5.90 88.5% c 6.64 5.90 88.9% d 6.61 5.85 88.5% e 6.61 5.65 85.5%

 

四個不同比轉速混流泵水力效率ηh的計算列於表3之中。可見這四個混流泵的水力效率預測值分別為86.1%、81.3%、79.7%和86.0%。採用同樣的方法,在偏離設計流量點時,同樣可以預測出所對應的水力效率,例如可以預測出包括最高效率點在內的設計流量±20%範圍內的水力效率~流量(ηh~Q)特性。

表3 四個混流泵水力效率ηh計算表

比轉速

(m*kW)
 

局部
流線
泵名
稱 ηhx 出口軸
面速度
Vm2(m/s)
  流道寬度
b(mm)
 
  ηhx×Vm2×b Vm2×b 泵水力效率
ηh=(∑ηhx×Vm2×b)/(∑Vm2×b) ns310 a 71.0% 2.86

9.2

1.8682 0.0263 86.1% b 88.5% 2.88 17.6 4.4859 0.0507 c 88.9% 2.90 19.0 4.8984 0.0551 d 88.5% 2.95 19.4 5.0649 0.0572 e 85.5% 3.04 9.8 2.5472 0.0298 ns400 a 75.5% 3.15

8.4

1.9977 0.0265 81.3% b 78.5% 3.13 17.8 4.3735 0.0557 c 84.5% 3.14 19.6 5.2005 0.0615 d 82.2% 3.14 21.2 5.5118 0.0666 e 81.1% 3.20 10.6 2.7750 0.0339 ns488 a 41.2% 3.24

8.8

1.1755 0.0285 79.7% b 76.0% 3.24 18.4 4.5308 0.0596 c 81.4% 3.24 20.8 5.4857 0.0674 d 90.4% 3.24 23.8 6.9709 0.0771 e 88.2% 3.24 13.6 3.8864 0.0441 ns577 a 62.5% 3.16

9.6

1.8960 0.0303 86.0% b 87.5% 3.16 21.2 5.8618 0.0670 c 87.5% 3.12 24.0 6.5520 0.0749 d 90.6% 3.08 27.2 7.5901 0.0838 e 89.1% 3.05 13.4 3.6415 0.0409


2、容積效率ηv的預測

根據文獻[3]的數學模型,四個不同比轉速混流泵葉片尖端間隙所引起的容積效率ηv的計算例於表4之中。

表4 四個混流泵容積效率計算表

數學模型及數據、尺寸比轉速(m.kW) ns310 ns400 ns488 ns577 進口半徑r1(m)

0.180

0.180

0.180

0.164

出口半徑r2(m) 0.208 0.195 0.190 0.171  0.195 0.188 0.185 0.168 進口圓周速度U1(m/s) 13.07 16.80 20.55 22.10 出口圓周速度U2(m/s) 15.10 18.30 21.70 23.00 進口相對速度W1(m/s) 13.42 17.30 20.84 22.38 出口相對速度W2(m/s) 11.17 15.10 18.97 20.43 出口絕對速度的圓周分量Vu2(m/s) 4.30 3.57 3.01 2.82 進口軸面速度Vm1(m/s) 3.04 3.30 3.45 3.55 出口軸面速度Vm2(m/s) 2.86 3.10 3.24 3.16  0.9599 0.9913 1.0044 1.0387 翼弦長c(m) 0.208 0.225 0.242 0.144 四分之一翼弦長處半徑rcp(m) 0.187 0.184 0.184 0.166 進口節距t1(m) 0.1885 0.1885 0.2827 0.2576 CL,m1(C)/(t1) 0.6609 0.4289 0.2900 0.2531 CL,U1(C)/(t1) 0.1682 0.0843 0.0492 0.0397 升力係數的流線方向分量CL,m1 0.5989 0.3593 0.3388 0.4528 升力係數的圓周方向分量CL,U1 0.1524 0.0706 0.0575 0.0710 升力係數CL1 0.6180 0.3662 0.3437 0.4583 揚程係數ψ0=(H)/(U22/g) 0.2581 0.1758 0.1250 0.1113 流量係數 0.1880 0.1648 0.1383 0.1293 σ=C/(2πR/Z) 0.9554 1.1024 0.8113 0.5364  204.6% 254.7% 362.9% 463.9% 流道寬度b(mm) 75.0 77.6 85.4 95.4 葉片尖端間隙δ(mm) 1.1 1.1 1.1 1.1 葉片尖端間隙相對值λ=δ/b 0.01467 0.01418 0.01288 0.01153 混流泵效率下降值ΔηT=fλ 3.00% 3.61% 4.67% 5.35%


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