一种离心泵气液两相流全特性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种离心泵全特性分析方法，特别涉及一种离心泵气液两相流全特性 分析方法。
【背景技术】
[0002] 离心泵的种类繁多，是流体机械中重要的泵类产品，在给水排水、农田灌溉、能源 工程、固体颗粒液体输送工程、航空航天、航海工程和石油化工等国民经济部门都有广泛的 应用。
[0003] 离心泵在实际的运行过程中常会出现全特性工况运行的现象。例如在几台泵并联 运行的泵站中某一台泵非正常停机、抽水蓄能泵在泵和水轮机等不同工况以及核电站一回 路或者二回路失水事故等情况下，都会发生离心泵在全特性工况运行的现象。同时在石油、 化工、核能、冶金等行业，离心泵抽送气液两相介质的情况非常普遍，离心泵对气液两相介 质的输送能力，是其性能考核的重要指标。但是目前对于离心泵在气液两相流全特性工况 的研宄还存在诸多不足之处，因此急需一种能满足离心泵气液两相流全特性分析的方法。
[0004] 现有专利号为201010176073. 8,名称为"一种新的泵站水泵特性曲线确定方法及 系统"中提出通过泵站运行历史数据，应用泵站水泵特性曲线确定算法确定泵站内各水泵 特性曲线。不需要对泵站内各泵组进行专门测试实验，只需采集并应用泵站日常运行历史 数据就可确定水泵特性曲线，这样不仅节省了水泵测试费用及减轻对泵站设备的损害而且 减少了对用水用户的影响。但是在该专利中未对获得的水泵特性曲线进行实际应用，未使 用特性曲线对泵的性能进行预测。现有专利号为200820122900. 3,名称为"一种潜水两相 流泵"中公开了一种潜水两相流泵，包括潜水电机、两相流泵、油室、油水检测装置及机械密 封装置。在该两相流泵中通过将搅拌轮直接联结在轴的下端，不仅简化了泵的结构，并增 加了联结的强度。通过对结构的改进改善了轴承的受力，提高了效率。但该专利只对两相 流泵的结构提出了改进的方法，未对两相流泵在实际运行过程中的性能作出分析。现有专 利号为200810224250. 8,名称为"两相流泵叶轮的设计方法"中公开了一种两相流泵叶轮 的设计方法，通过此设计方法设计的半扭曲叶片可使水力损失和摩擦损失比圆柱叶片小， 降低泵的振动和噪音，不仅提高了泵的效率、延长了叶轮的使用寿命，而且使泵的运行更加 平稳。但该专利仍存在以下不足之处：本专利只涉及两相流泵叶轮的设计方法，未对两相 流泵在实际运行过程的性能特性进行描述，无法对泵的运行特性进行预测。现有专利号为 97201069. 6,名称为"气液两相离心泵"中涉及一种气液两相离心泵，其特征在于在叶轮的 后盖板上有通气孔，蜗壳的后盖侧连接有具有空腔的气液分离室，空腔在中心部分与蜗壳 连通并在外径上具有出气口，因此泵流道不会被堵塞，达到连续输送含气流体的目的。该专 利仅仅在结构上对气液两相流泵进行了改进，并没有涉及气液两相流泵的实际运行特性的 分析，无法预测两相流泵在实际运行过程性能参数的变化。
[0005] 从上述对已有相关专利分析可以看出，已有技术虽然能解决一些关于气液两相流 泵水力部件的结构设计，以及特性曲线的获取等。但在对离心泵的气液两相流全特效分析 方面均不能满足要求，因此提出一种离心泵气液两相流全特性曲线分析方法，实现离心泵 在所有工况下性能特性分析，并能满足计算机程序要求，十分必要。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了 一种离心泵全特性分析方法。这种分析方法主要用来分析离心泵 在气液两相流时的性能特性。首先通过试验获得离心泵在不同比转数下的全特性曲线，然 后采用特定的数学方法对得到的离心泵全特性曲线进行转化，转化后的曲线称为无因次曲 线。离心泵无因次曲线采用无因次流量q，无因次转速a，无因次扬程h，无因次扭矩t等参 数来表示离心泵全特性性能。无因次流量q，无因次转速a，无因次扬程h，无因次扭矩t等 参数由以下公式定义：
[0007] q = Q/Qe (1)
[0008] a = N/Ne (2)
[0009] h = H/He (3)
[0010] t = Th/Te (4)
[0011] 式中：
[0012] q_无因次流量；
[0013] a-无因次转速；
[0014] Q_运行工况的流量，米3/小时；
[0015] QK-额定工况的流量，米3/小时；
[0016] N-转速，转/分；
[0017] NK-额定转速，转/分；
[0018] h-无因次扬程；
[0019] H-扬程，米；
[0020] HK-额定扬程，米；
[0021] t-无因次扭矩；
[0022] V水力扭矩，牛顿?米；
[0023] TK-额定工况水力扭矩，牛顿?米；
[0024] 从离心泵全特性曲线图中的任意一点我们可以查出该点对应的转速、流量、扬程 和扭矩的值。通过离心泵全特性曲线我们可以分析泵的运行工况是如何从一个工况向另一 个工况进行过渡的。但是离心泵的全特性曲线一般适合用来表示一台泵在某一比转数下的 性能，在研宄离心泵的气液两相流时采用离心泵全特性曲线的表示形式将会显得十分的复 杂与繁琐。
[0025] 为了更好的研宄离心泵在气液两相流时的性能，本专利将发明一种方法对其进行 分析。首先将离心泵的无因次全特性曲线进行划分，方法如下：q_a坐标系首先被分为四个 象限：第一象限（q彡〇，a彡0)，称作正常区域（N);第二象限（(1<0,3>0)，称作制动区 域⑶；第三象限（q彡0, a彡0)，称作水轮机区域⑴；第四象限（q > 0, a < 0)，称作反 转区域（R)。然后，每个象限又被±45°直线进一步划分为以下两个区域：
[0026] (a) | q/a | < 1 :A 区域，X = q/a，YH= h/a 2, YT= t/a 2
[0027] (b) | a/q | < 1 :V 区域，X = a/q，YH= h/q 2, YT= t/q 2
[0028] 最后，离心泵无因次全特性曲线的四象限区间可以分为8个部分，VN、AN、AD、VD、 AT、VT、AI^PVR。
[0029] 由于泵的扬程H与泵的转速N和叶轮直径D乘积的平方成正比，即H~（ND)2。根 据相似定律可得：
[0030] (5)
[0031] XVT ：
[0032] Hp_实体泵的扬程，米；
[0033] 模型泵的扬程，米；
[0034] Np_实体泵的转速，转/分；
[0035] Nm_模型泵的转速，转/分；
[0036] Dp-实体泵叶轮直径，米；
[0037] Dm-模型泵叶轮直径，米；
[0038] 将上式去量纲化可得：
[0039]
(6)
[0040] 式中：
[0041 ] hp-实体泵无因次扬程；
[0042] h，模型泵无因次扬程；
[0043] HpK-实体泵额定扬程，米；
[0044] HmK-模型泵额定扬程，米；
[0045] NpK-实体泵额定转速，转/分；
[0046] NmK-模型泵额定转速，转/分；
[0047] ap_实体泵无因次转速，ap= N p/NpK;
[0048] am_模型泵无因次转速，amE N m/NmK;
[0049] 在相似的水力条件下，流体经过回路时，施加在叶轮上的水力扭矩TH是造成动量 变化的原因，并且与流量、流体速度和叶轮的尺寸是成比例的，即：
[0050] TH~（P Q) (Q/D 2) (D) (7)
[0051] 式中：
[0052]P-流体密度，千克/米3;
[0053] V水力扭矩，牛顿?米；
[0054] 当两台不同的泵具有相等的参数值q/a时，那么这两台泵的水力条件是相似的， 这时Q/D 2~ND即Q~ND 3,所以TH~P N2D5。由相似定律可得：
[0055]
(8)
[0056]式中：
[0057] THp-实体泵的水力扭矩，牛顿?米；
[0058] -模型泵的水力扭矩，牛顿?米；
[0059] Pp-实体泵流体密度，千克/米3;
[0060] Pm-模型泵流体密度，千克/米