一种高温熔盐泵的常温模化测试方法
【专利摘要】本发明提供一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，主要用于常温介质代替高温熔盐进行熔盐泵的外特性和内部流动研究。通过量纲分析得到泵的无量纲数：比扬程、比流量、雷诺数、比功率。在几何相似前提下，保证原型泵和模型泵的雷诺数、比流量和比扬程相等，使得两台泵相似，得到两台泵的转速、直径、流量、扬程之间的关系式。根据所得关系式建立并优选模化测试方案。按照模化测试方案设计的模型泵与原型泵相似，它们具有相同的无量纲性能曲线，根据该曲线可实现原型泵和模型泵之间的性能转换。相似的两台泵其内部速度和压力分布规律相同，大小成比例。
【专利说明】
-种高溫膝盐累的常溫模化测试方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种烙盐累的模化测试方法，具体为采用常溫的介质（如水)作为试验 介质，代替烙盐累中的高溫烙盐进行试验，或采用缩放尺寸后的模型累代替特大型或微小 型的累进行试验，通过模化测试得到实际累的性能，该方法主要用于烙盐累的外特性和内 部流动研究。
【背景技术】
[0002] 烙盐累是离屯、累的一种，用于输送高溫烙融的盐，适用于=聚氯胺项目、氧化侣项 目、片碱项目等精细化工行业，W及太阳能光热发电中的储能介质输送。在烙盐累的研发过 程中，确定不同工况下的性能是非常重要的。然而，仅靠理论研究来正确预测累的外特性和 其内部流动有相当难度。
[0003] 烙盐累的外特性(主要包括:扬程、流量、轴功率和效率等）是累选型的主要依据， 直接影响生产过程中的工况参数;烙盐累的内部流动（主要包括:吸水室、叶轮流道和压水 室内的流动)直接影响烙盐累的外特性，通过改善累的内部流动状态可W有效提高累的外 特性。
[0004] 累的外特性测量技术是一口较为成熟的技术。流量可采用标准孔板、标准喷嘴、满 轮流量计等进行测量。采用测压仪表测量累进出口压力，根据累进出口压力、进出口高度差 和进出口的流速，计算得到累的扬程。转速的测量可用直接显示的数字仪表测出测量时间 内的转数。扭矩可采用天平式测功计或扭矩式测功计进行测量，测量扭矩的同时测定转速， 采用扭转力矩法可计算出轴功率。根据累效率的定义，由上述测量值可计算出累的效率。
[0005] 离屯、累内部流动测量技术主要有非光学测量技术和流动显示技术。非光学测量技 术主要包括探针和热线热膜技术，如多孔探针、旋转探针、热线热膜风速仪和满量探针等， 其缺点是探针和热线/热膜的介入均会扰动真实流场，且需配置复杂的遥测技术，将采集信 号从转子传递到静止参考系。常见的流动显示技术主要有粒子图像测速技术(PIV)、激光多 普勒测速技术化DV)和高速摄像技术化SPKPIV和LDV可W获得反映流动情况的速度场，但 其试验成本和难度远高于HSPdHSP不仅可W获得速度分布情况，而且可W得到流体运动的 迹线，直观地再现流体运动的演化情况。近年来还发展了一种内窥高速成像技术，将内窥镜 伸入累内，可W对累内部的高速流动进行连续拍摄，获得累内流动的瞬时信息。
[0006] 上述运些测量技术常适用于常溫工况下输送水时的累性能测量。对于输送高溫烙 盐的累，由于高溫的影响，试验难度大大增加，受测量设备的限制，很难获得其准确的性能。 目前，对于烙盐累，通常直接W水作为试验介质时的性能近似作为输送高溫烙盐时的性能； 对于某些特大型或微小型的累，受试验装置测量范围的限制，往往难W开展相关试验。
【发明内容】
[0007] 为了解决目前高溫烙盐累、特大型或微小型累性能难W准确测量的问题，本发明 提供一种高溫烙盐累的常溫模化测试方法，采用该方法不仅能测量烙盐累输送高溫介质时 的性能，而且能准确地测量特大型或微小型累的性能。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] -种高溫烙盐累的常溫模化测试方法，该方法包括W下步骤：
[0010] 1) W待测试高溫烙盐累为原型累，按原型累尺寸等比例缩放设计出模型累，模型 累采用常溫介质进行模化测试；
[0011] 2)模型累和原型累在几何形状相似的前提下，同时满足雷诺数、比流量和比扬程 相等，则两台累性能相似，并根据如下对应关系，设计模化测试方案：
[0012]
[0013] 其中，原型累输送介质的密度为化，粘度为叫，转速为np，叶轮直径为Dp;模型累输 送介质的密度为Pm,粘度为山1，转速为nm，叶轮直径为Dm; X为相似系数，取值范围为 1;
[0014] 3)通过模拟或测试的方法得到模型累的各性能参数，包括模型累的扬程Hm、流量 Qm、轴功率Pm、效率rim;
[001引 4)根据得到的模型累的各性能参数，并根据如下对应关系，转换后得到原型累性 能参数；
[0016]
Hm = Hp ；
[001 7]其中，原型累的流量为Qp，扬程为Hp，轴功率为Pp，效率为Ilp ;模型累的流量为Qm，扬 程为Hm,轴功率为Pm,效率为IW [001引本发明的进一步设计在于：
[0019] 该方法还包括对相似系数X在取值范围内取多个值，得到多组模化方案，从中筛选 满足W下条件的合理模化方案:模型累的转速控制在100~6000r/min之间；模型累的流量 应大于Im3A，扬程应大于0.1 m;模型累的叶轮直径控制在0.1~0.6m之间，根据合理的模化 方案进而确定相似系数X值。
[0020] 所述常溫介质为0~35°条件下的水或油。
[0021] 当直接采用原型累作为模型累时，Dp = Dm;当原型累叶轮直径在0.1~0.6m范围时， 可直接W原型累作为模型累进行模化试验。运种情况下设计模型累尺寸就不需要缩放。
[0022] 本发明的设计原理如下：
[0023] 本发明提供一种高溫烙盐累的常溫模化测试方法，主要用于常溫介质代替高溫烙 盐进行烙盐累的外特性和内部流动研究。通过量纲分析得到累的无量纲数：比扬程、比流 量、雷诺数、比功率。在几何相似前提下，保证原型累和模型累的雷诺数、比流量和比扬程相 等，使得两台累相似，得到两台累的转速、直径、流量、扬程之间的关系式。根据所得关系式 建立并优选模化测试方案。按照模化测试方案设计的模型累与原型累相似，它们具有相同 的无量纲性能曲线，根据该曲线可实现原型累和模型累之间的性能转换。相似的两台累其 内部速度和压力分布规律相同，大小成比例。
[0024]累内流动所设及到的物理参数包括：比能量gH、累效率n、体积流量Q、转速n、流体 密度P、流体粘度y、叶轮直径D。根据定理，该问题可W用W下数学公式进行描述，
[00 巧]fi(巧，Q，D，n，P，y)=0 (1)
[0026] 上式中因设及到3个基本量纲:质量M、长度L、时间T，故可得
[0027] f2(jTl,Jl2,313)=0 (2)
[0028] 选取D、n、P作为基本物理参数，则有
[0029] (3)
[0030] (4)
[0031] (5)
[0032] 庶巧县娜麻坠居舟Ulll
[0033] (6)
[0034] b 表示。
[0035] (7)
[0036] d)表示。
[0037] (8)
[0038] 将上式进行变换可得累的雷诺数。
[0039] - ' (：9)[0040] 通讨对h冰无量纲巧量的操化，还可Pi巧得Pi下有用的无量纲数。
[0041] (IO)
[0042] 上式为累的比功率，P为累的轴功率。
[0043] 烙盐累输送的介质为高溫烙盐，由于溫度太高，直接采用高溫烙盐作为介质进行 试验难度很大，为此考虑采用常溫水(或油，如柴油)作为介质代替高溫烙盐进行试验。烙盐 的密度和粘度与水相比均不相同，要想试验结果能够换算成输送烙盐时的累性能，必须进 行模化测试设计，使得模型累和原型累满足相似。
[0044] 根据上述离屯、累的无量纲特忡而细.#n,伉相仙前摇下，只要同时保证模型累和 原型累的雷诺1
比流量
相等，则两台累相似，两台 累的所有无量纲数都相等，即，Recm=Recp, <K= 4p，ilV = 4p，Nem =化p，nm=%。假设：原型累 输送介质的密度为化，粘度为叫，模型累输送介质的密度为Pm,粘度为iim。要保证原型累的雷 诺数Reep等于模型累的雷诺数Re?,则原型累和模型累的转速和直径必须满足如下关系：
[0045]
(11)
[0046] (12)
[0047] 等于模型累的比流量4m，则原型累和模型累的流量必 须满足
[004引 (13)
[0049] ^于模型累的比扬程礼，则原型累和模型累的扬程必须 满足如
[(K)加 ] (14)
[0051] 等于模型累的比功率化m，则原型累和模型累的功率必 须满足
[0化2] (15)
[0053] 式中；
[0054] X一一相似系数，取不同的值可W得到不同的模化方案。
[0055] 只有转速、直径、流量、扬程和轴功率同时满足上述5个公式，原型累和模型累才相 似。对于几何相似的两台累，通过调节转速和流量，可W同时满足式（11)~（13)，但问题的 关键是，在运样的工况下，扬程是否满足式（14)。如果满足，则表明原型累和模型累相似，通 过模型累测得的性能可W转换成原型累的性能。
[0056] 原型累输送的烙盐物性如表1所列，转速n=1450r/min，叶轮直径D = 250mm，流量Q = 25m3A。采用水代替烙盐进行试验，根据式（11)~（14)，编制的模化方案如表2所列，限于 篇幅，水代替其他烙盐时的模化方案省略。
[0057] 表1累送介质物性
[0化引
[0059] 亲2水化替烙盐#1时的横化方塞
[0060]
[0061] 由表中的模化方案可W发现:x取不同值时可W获得不同的模化方案，也就是说， 用水代替烙盐作为试验介质时，可W通过改变累的转速、流量和几何尺寸进行模化测试，存 在多种模化方案。当X取-1时，模型累与原型累的流量相同；当X取加寸，模型累与原型累的尺 寸相同；当X取1/2时，模型累与原型累的转速相同；当X取1时，模型累与原型累的扬程相同。
[0062] 当用水代替粘度很高的介质进行模化测试的时候，转速、几何尺寸、流量和扬程等 参数很难同时达到合理的值(运里的合理值指的是与原型累的相关参数相比相差不大）。有 些方案中的数值仅具有理论意义，而在工程上很难实现，如：用水代替烙盐#5进行模化测 试，当X取-1时，模型累与原型累的流量相同，但模型累的扬程仅为原型累扬程的6.1207X 1 倍，运在工程上几乎无法测得。
[0063] 当转速选取为合理值时，几何尺寸、流量和扬程均较小；当几何尺寸选取合理值 时，转速、流量和扬程均较小；当流量选取合理值时，转速和扬程很小，几何尺寸很大；当扬 程选取合理值时，转速很大，几何尺寸和流量很小。上述4种情况如表3所列。
[0064] 表3模化方案比较
[00 化]
素，W便实验能够顺利开展。转速的大小应该根据电机的能力来确定，一般转速控制在100 ~eOOOr/min;流量和扬程不宜太小，若太小可能会影响测量的精度，一般流量大于Im3/]!为 宜，扬程大于0.1 m为宜;模型的尺寸不宜太小，如果太小在试验中模型表面粗糖度的影响可 能会很大，尺寸也不宜太大，太大会给模型累的加工带来困难，也会提高试验台架的要求， 一般模型累的叶轮直径在0.1~0.6m范围内为宜。制定模化方案时，应尽量控制转速、几何 尺寸、流量和扬程等参数在推荐的范围之内，进而确定X值。当存在多组合理的模化方案时， 可从中任选一组。
[0067] 本发明的有益效果是：
[0068] (1)不受工作溫度的影响。采用本发明所提供的方法，可W避开高溫，采用常溫介 质进行试验，将测得的模型累的性能转换成原型累的性能。
[0069] (2)不受介质物性的影响。原型累输送的是高粘度、高密度的介质，无论输送何种 物性的介质，采用本发明的方法进行模化测试时，均可W采用容易获得的廉价的水或油代 替该介质进行试验。
[0070] (3)不受结构尺寸的影响。对于某些特大型的累，若要进行试验，需配置大型的电 机、大量程的测量仪表;而对于某些微小型的累，由于其性能数值较小，需采用量程小、精度 高的仪表进行测量。一般情况下，一套试验装置很难用于多种型号累性能测量。同时，对于 特大型和微小型的累，其内部流动的测量难度也较大。采用本发明的方法，则可W避开累结 构尺寸的影响，通过几何相似，将累缩放至容易试验的尺寸。
【附图说明】
[0071] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0072] 图1为烙盐累几何模型。
[007引图2为扬程-流量性能曲线。
[0074] 图3为轴功率-流量性能曲线。
[0075] 图4为效率-流量性能曲线。
[0076] 图5为比扬程-比流量性能曲线。
[0077] 图6为比功率-比流量性能曲线。
[007引图7为效率-比流量性能曲线。
[0079] 图8-1至图8-7为各种模化方案下模型累内部速度分布(m/s)。
[0080] 图9-1至图9-6为各种模化方案下模型累内部压力分布(Pa)。
【具体实施方式】
[0081] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：
[00剧实施例一.
[0083] 为方便起见，采用数值模拟代替实验说明本发明所提的模化测试方法。采用Pro-e 软件进行几何建模，并采用Gambit软件进行网格划分，几何模型如图1所示。原型累主要结 构参数和性能参数如表4所列。模型累介质采用常溫条件(20°C)的水;采用Fluent软件对累 输送烙盐#1时的流动进行数值模拟。
[0084] 表4烙盐累的主要结构参数和设计工况参数
[0085]
[i
[0087] 在所有模化方案中选取工程上相对可行的几种方案(分别取x = -l/6,0，l/6，l/3， 1/2,2/3)进行数值模拟，W验证所提模化测试方法的正确性。模拟结果见表5。
[0088] 表5水代替烙盐#1时的模化结果 [00891
[0090] 注:表中第一行数据为原型累数值模拟结果，其他数据为采用水作为介质不同模 化方案下的数值模拟结果。
[0091] 由表中数据可见，数值计算所得的模拟扬程比与根据模化测试方法所得的理论扬 程比几乎完全一致，各种相似工况下的模型累的效率与原型累的效率几乎完全相同，表明 所提模化测试方法是正确的。完全可W通过采用水作为试验介质来代替高粘度的烙盐进行 模化测试。
[0092] (1)原型累与模型累性能曲线分析
[0093] 根据模化测试方法，采用水作为试验介质，对输送介质密度化=1938kg/m3,粘度叫 = 0.00729Pa ? S，转速np=1450r/min，叶轮直径Dp = 250mm的原型累进行模化测试。
[0094] 综合考虑转速、几何尺寸、流量和扬程等参数范围，选取X = O,根据如下公式：
[0095]
[0096] 得到模型累的转速nm=386.化/min,叶轮直径Dm=250mm。
[0097] 在不同的流量工况下，对模型累进行数值模拟(也可W采是常规测试方法得到模 型累各参数值），计算模型累的扬程、轴功率和效率。
[0098] 扬程H可用如下公式表示计算
[0099] (16)
[0100] 式中：{pt}in、{pt}nut为累进、出口截面上的总压，对计算结果进行后处理可得该 值。
[0101] 轴功率P可用如下公式计算
[0102] P=Mco (17)
[0103] 式中：M为作用在叶轮上的力矩，对计算结果进行后处理可得该值；CO为离屯、累的 转动角速度，数值计算过程中设置为边界条件。
[0104] 效率n可由扬程H和力矩M计算得到，其计算公式为
[0105] (18)
[0106] 式中：P为输送介质的密度;g为重力加速度;Q为离屯、累的流量，数值计算过程中设 置为边界条件。
[0107] 根据上述公式计算得到H-Q、P-Q、ri-Q曲线，如图2~图4中所示的模型累性能曲线。 根据下列公式(式中X同样取为0):
[010 引
= Hp
[0109] 将模型累的性能曲线转换成原型累的性能曲线，如图2~图4中所示的原型累性能 曲线。
[0110] 将图2~图4中的流量、扬程和轴功率全部转换成无量纲的比流量、比扬程和比功 率，重新绘制原型累和模型累的无量纲性能曲线，如图5~图7所示。由图可见，模型累和原 型累的无量纲性能曲线完全重合，表明，根据模化测试方法设计的一系列累的无量纲性能 曲线均可用同样的无量纲性能曲线来表示，通过模型累试验得到的性能可W转换成原型累 的性能。
[0111] 对上述S种无量纲性能曲线进行拟合，得：
[0112] 比扬程和比流量的关系式：
[0113] (6 = 0.00165+3.00031 X 1〇-4 (1) -4.18269 X 1〇-4 4 2+5.95276 X 10-已(1) 3 Qg)
[0114] 比功率和比流量的关系式：
[0115] 化=3.47999 X 10-7+9.83087 X 1〇-8 (1)巧.41437 X 1〇-7 (1) 2-8.06603 X 1〇-8 (1) 3 (2〇)
[0116] 效率和比流量的关系式：
[0117] n = -〇.366化 146.:34 4-89.391 (62+16.592 (63 间）
[011引一系列相似累的无量纲性能曲线可用上述S个公式进行表达。
[0119] (2)原型累与模型累内部流动分析
[0120] 采用水作为试验介质代替粘度为0.00729Pa ? S的烙盐进行模化测试，对表5中各 合理模化方案下的累内部流动进行数值模拟。图8-1至图8-7显示了各种合理模化方案下模 型累内部的速度分布，图中将模型累尺寸调整为同等大小，色标调整为全值域显示。其中， 图8-1为原型累内部的速度分布，对应叶轮Dp = 250.Omm;图8-2对应叶轮Dm=311.7mm;图8-3 对应叶轮Dm= 250.0 mm;图8-4对应叶轮Dm= 200.5mm;图8-5对应叶轮Dm= 160.8mm;图8-6对 应叶轮Dm = 129. Omm;图8-7对应叶轮Dm = 103.5mm。由图可见，相似的累其内部速度分布规律 相同，速度大小成比例，随着模型累尺寸的减小，绝对速度增大。
[0121] 图9-1至图9-6显示了各合理种模化方案下模型累内部的压力分布，图中将模型累 尺寸按比例显示，压力在相同的色标下显示。由图可见，相似的累内的压力随着模型累尺寸 的减小而增大，压力大小成比例。图9-1对应叶轮Dm=311.7mm;图9-2对应叶轮Dm=250.0mm; 图9-3对应叶轮Dm = 200.5mm;图9-4对应叶轮Dm= 160.8mm;图9-5对应叶轮Dm= 129.Omm;图 9-6对应叶轮Dm= 103.5mm。如果将各模型累的压力色标调整为全值域显示，和速度分布一 样，相似的累其内部压力分布规律相同。
【主权项】
1. 一种高溫烙盐累的常溫模化测试方法，其特征是:该方法包括W下步骤： 1. W待测试高溫烙盐累为原型累，按原型累尺寸等比例缩放设计出模型累，模型累采 用常溫介质进行模化测试； 2) 模型累和原型累在几何形状相似的前提下，同时满足雷诺数、比流量和比扬程相等， 则两台累性能相似，并根据如下对应关系，设计模化测试方案：其中，原型累输巧介巧的潭度刃化，粘度刃叫，转速刃np，叶轮且货刃Dp;模型累输送介质 的密度为Pm,粘度为，转速为nm，叶轮直径为Dm; X为相似系数，取值范围为-1《1 ; 3) 通过模拟或测试的方法得到模型累的各性能参数，包括模型累的扬程Hm、流量Qm、轴 功率Pm、效率rim; 4) 根据得到的模型累的各性能参数，并根据如下对应关系，转换后得到原型累性能参 数；其中，原型累的流量为Qp,扬程为Hp,轴功率为Pp,效率为％;模型累的流量为Qm,扬程为 Hm,轴功率为Pm,效率为rim。2. 根据权利要求1所述的模化测试方法，其特征是:该方法还包括对相似系数X在取值 范围内取多个值，得到多组模化方案，从中筛选满足W下条件的合理模化方案:模型累的转 速控制在100~eOOOr/min之间；模型累的流量应大于InrVh，扬程应大于O . Im;模型累的叶 轮直径控制在0.1~0.6m之间，根据合理的模化方案进而确定相似系数X值。3. 根据权利要求1或2所述的模化测试方法，其特征是:所述常溫介质为0~35°条件下 的水或油。4. 根据权利要求3所述的模化测试方法，其特征是：当直接采用原型累作为模型累时，Dp = Dm;当原型累叶轮直径在0.1~0.6m范围时，可直接W原型累作为模型累进行模化试验。
【文档编号】F04D15/00GK105909537SQ201610319355
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】邵春雷, 顾伯勤, 周剑锋, 程文洁
【申请人】南京工业大学