离心泵起动过程的外特性试验研究

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Experimental Investigation of External Performance of PrototypeCentrifugal Pump during Startup PeriodZHANG Yuliang ， ZHU Zuchao 2 CUI Baoling LI Yi(1.The Province Key Lab ofFluid Transmission Technology，Zhiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018；2.The State Key Laboratory ofFluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 3 10027)Abstract： In orderto explorethetransient characteristicsofaprototype centrifugalpumpduring startupperiod，thevariations oftheexternal performance of the pum p RaRe recorded in experiments at different discharge valve openings，and then the non.dimensionalparameters ofthe flow rate and head are also used to an alyze the transient behavior.The result shows that the rise characteristic oftherotational speed is not basicaly changed by working points，which mainly depends on the startup characteristies of the driving motor。

Compared with the rapid rise of the rotational speed，the rising speed of the flow rate is relatively low at the beginning of the startup. Moreover，the flow rate lags behind the rotational speed to rise to final stable value，an d the delay becomes more severe as thedischarge valve opening increases.In the ran ge of smaler valve opening，the pressure impact shows decrease tendency as thedischarge valve opening increases；while in the ran ge of higher valve opening，the pressure impact shows increase tendency as thedischarge valve opening increases.There generally exists the shaft power impact phenomenon in the process of startup.Thenon-dimensional analysis shows that the non-dimensional instantaneous head is of extremum at the very begin ing of startup，an dquickly fals to the minimum，then gradualy rises to final value.The non-dimensional instantaneous flow rate always shows a risetrend during whole startup period.It is found that the quasi-steady assum ption can not be used to accurately assess the tran sient flowduring startup period。

Key words： Centrifugal pum p Startup External performance Experimental investigation Non-dimensional analysis0 前言离心泵通常被要求长时间在稳定工况下运行，·国家自然科学基金(21076198，51276172，51076144)$1 家重点基础研究发展计划(973计划，2009CB724303)资助项目。20121115收到初稿，20130520收到修改稿即工作转速、负载等基本不变或者缓慢变化，该过程可看作是稳定的工作过程。但是，诸如起动、停机等瞬态操作过程也是不可避免的，各个性能参数在短时间内将发生剧烈的变化，该过程属于非稳定的工作过程。随着离心泵应用领域的拓展以及系统复杂程度的提高，有关瞬态操作条件下的离心泵性能研究得到了充分重视，相关研究成果已有应用。

150 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 16期值分别为 10.51 m、10.53 m、10.61 ITI、10.54 rfl、10.29rn、9.72 m、8.94 m和 7.84 m。根据相似定律，换算至设计转速下的扬程值分别为 1O.12 rfl、10.18 In、10.30 rll、10.27 nl、10.07 rfl、9.55 m、8.82 rfl和 7.77m，可见该模型泵在小流量区域仍存在十分微小的驼峰现象。除了qdqvr为 0.616、0.820和 1.007外，其余 5种情形下的起动过程显示，扬程曲线在达到稳定之前总是存在-定程度的冲击现象。在 qetqvr为 0、0.213和 0.418时，最大扬程分别为 11.20 rfl、11.23 rfl和 11.03 ITI，冲击扬程(最大扬程与稳定扬程之差)分别为0.6911、0.70m和 0.42m；并且它们达到最大值的时间均约为 0.6 s∩见，在小于 0.616倍额定流量对应的阀门开度范围内，随着阀门开度的增大，压力(扬程)冲击将呈现逐步减小的趋势。

在 qv/q 为 1.210和 1.404时，最大扬程分别为 9.23nl和 9.12 ITI，冲击扬程分别为 0.29 m和 1.28 m；并且它们达到最大值的时间均为0.5 s左右∩见，当阀门开度大于额定流量对应的阀门开度时，随着阀门开度的增大，压力冲击将呈现逐步增加的趋势。

在 g内行为 O.616、0.820和 1.007时，未出现明显的压力冲击。这可能与模型泵的最高效率点偏离了设计点，向小流量工况偏移有关。

驰图 5 不同阀门开度情形下的扬程试验结果图6为起动过程中获得的轴功率试验结果。在8种起动情形下，轴功率上升到各 自的稳定值分别约为 0.244 kW、0.263 kW、0.293 kW、0.318 kW、0.354 kW、0.382 kW、0.412 kW和 0.439 kW，可见轴功率近似按照线性规律上升。同时可以看到，普遍存在-个轴功率冲击现象。对于大流量、高扬程、大功率的泵而言，该功率冲击可能造成对局部电网的电流冲击，严重时会引起负载设备的损坏。在 8种起动情形下，轴功率冲击均发生在 0.20 S左右，相应的最大轴功率值分别为 0.350 kW、0.555 kW、0.558 kW 、0.660 kW 、0.728 kW、0.604 kW 、0.432kW和0.595 kW，功率冲击(最大轴功率与稳定轴功率之差)分别为 0.106 kW、0.292 kW、0.265 kW、0.342 kW、0.374 kW、0.222 kW、0.02 kW 和 0.156kW。其中在 g 1.210和 1.404时，功率曲线在出现-个较为明显的冲击之后，还存在-个较为明显的功率突降现象。在这 2种起动情形下，轴功率从各 自最大值下降到各 自最小值分别约为 0.369kw和 0.386 kW，功率跌幅(稳定轴功率与最小轴功率之差)分别为 0.043 kW 和 0.053 kW，二者均约在0.30 S时达到最小值∩以看出，随着阀门开度的增大，功率突降呈现小幅上升趋势。

喜篓暴图6 不同阀门开度情形下的轴功率试验结果在本试验中所用 电磁流量计的时间常数最低设置为 0.1 S，因此理论上流量的瞬时测试值比实际值延迟约0.1 s，而所测的流量曲线的滞后时间仍然比设置值偏高。在需要精确测试起动过程动态流量变化的诚，缩短电磁流量计的滞后时间是十分必要的，可以选择的办法是考虑采用直接将测试信号导入数据采集卡中进行处理。

2.2 量纲-化分析在起动过程中，转速的快速上升直接引起流量、压力等各个流动参数发生剧烈的变化。为更好地分析离心泵起动阶段的瞬态特性，应当排除转速变化带来的影响，现以量纲-的体积流量和量纲-的扬程随时间的变化来描述起动过程。量纲-的流量 )和量纲-的扬程 (f)分别定义为l (f)q (t)/rd)Eb2U2(f) I (f)2gH(t)/u(t)式中，H(t)表示起动过程中的瞬时扬程；u2(f)是起动过程中叶轮出口处的瞬时圆周速度，其表达式为1，l2(f)rd)2n(t)/60。图 7给出了起动过程中瞬时量纲-的体积流量和量纲-的扬程变化的时间历程。

2013年 8月 张玉良等：离心泵起动过程的外特性试验研究 151鲫避霜1骚嘲驰窖1囊蛐1时间 f/s(a)量纲-的流量时间 f/s(b)量纲-的扬程图 7 量纲-的流量和量纲-的扬程变化的时间历程可以看出，除关死点外，在 7种情形下，瞬时量纲-的体积流量均呈现持续的上升特性。而瞬时量纲-的扬程则存在明显的差别：在起动初期的时候，瞬时量纲-的扬程存在极大值，而后迅速下降至最小值，紧接着又上升至稳定值或者接近于稳定值。起动之初出现极大值可解释如下：起动后突然旋转的叶轮对静止水体产生了-个压力冲击。众所周知，起动过程是-个转速快速变化的瞬态过程。

如果起动过程满足准稳态假设，即满足相似定律，则量纲-的体积流量和量纲-的扬程应该是恒定值。本文结果显示，二者均严重偏离于基于准稳态假设的预想结果，表明准稳态假设无法用于现有的起动过程特性分析。总之，整个起动过程表现出了明显的瞬态行为特征。

3 结论本文对-台离心泵在工频条件下进行了起动过程的外特性试验与量纲-化研究，分析了不同阀门开度情形下的起动特性。

(1)转速上升规律主要撒于动力源 自身特性，而不依赖于工况点。

(2)流量在起动初期上升较为缓慢，延迟于转速而达到稳定值；并且随着阀门开度的增加，延迟变为更为严重。

(3)在较小阀门开度范围内，压力冲击随阀门开度的增大呈现减小的趋势；在较大阀门开度范围内，压力冲击随阀门开度的增大呈现增大的趋势。

(5)量纲-的扬程在起动初期存在极大值，随后迅速下降至最小值，而后又上升至稳定值；量纲- 的体积流量始终呈现上升趋势。

准稳态假设无法适用于瞬时起动过程精确分析，整个起动过程表现出了明显的瞬态行为特征。