一種泵葉輪葉片表面壓力的測(cè)量方法研究

仲作文 于佳菲

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽110869）

0 引言

為了提高泵類水力機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，近幾年來國內(nèi)外關(guān)于葉輪內(nèi)部流場的計(jì)算研究已較為廣泛，而且目前可以借助較為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行分析并預(yù)測(cè)泵的性能，但邊界條件的設(shè)定、密封結(jié)構(gòu)等都對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響。另外，葉輪產(chǎn)生的軸向水推力和泵的汽蝕余量等關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用現(xiàn)有計(jì)算方法不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而想知道這些計(jì)算對(duì)產(chǎn)品到底有多大影響，就必須對(duì)葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，除了目前應(yīng)用較多的PIV內(nèi)部流場測(cè)量技術(shù)外，葉片表面壓力的測(cè)量也是基本測(cè)量內(nèi)容之一。

水力法測(cè)量葉片表面壓力的方法簡單易行，不需要太多設(shè)備、儀表，在國外已被采用，并被認(rèn)為是可靠的測(cè)量方法，也是目前條件下迅速實(shí)現(xiàn)測(cè)量的可行之道。

1 測(cè)量原理

用水力法進(jìn)行葉片表面壓力測(cè)量的原理如圖1所示。為獲得葉片表面靜壓，在葉片測(cè)點(diǎn)處開垂直于葉片表面的小孔，并透過葉輪后蓋板的孔及空心軸中的細(xì)微管將水引至靜壓的測(cè)壓腔，由與測(cè)壓腔相連的差壓計(jì)（或真空計(jì)）顯示出測(cè)壓腔中水的壓力值。與監(jiān)視腔相通的水位顯示出管中水位恒定，即表示測(cè)壓腔兩端密封可靠，所測(cè)壓力可信。

圖1 測(cè)量原理示意圖

在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，所測(cè)點(diǎn)與測(cè)壓腔中壓力的關(guān)系為：

式中，P為所測(cè)點(diǎn)的壓力；Pz為測(cè)壓腔中的壓力；R為所測(cè)點(diǎn)的半徑；Rz為測(cè)壓腔中空心軸半徑；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

2 測(cè)量裝置

葉片表面壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝置主要由測(cè)壓葉輪、壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)、測(cè)壓部分組成。葉輪（圖3）是組合式的，以便于葉片表面上各測(cè)壓孔的加工，測(cè)壓孔垂直于葉片表面，直徑為0.5 mm，沿葉片寬度方向的導(dǎo)壓孔及后蓋板上的導(dǎo)壓孔直徑均為2.5 mm，導(dǎo)壓孔要各自暢通而不相通。葉片與前、后蓋板結(jié)合要涂密封膠，保證葉片間流道的密封，葉片與后蓋板之間密封的同時(shí)要保證各導(dǎo)壓孔之間也密封。葉輪制成后要試驗(yàn)檢查各測(cè)壓通道的暢通性和相互之間的密封性。壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)將葉輪輪轂處的導(dǎo)壓孔里的壓力水通過與導(dǎo)壓孔相連的直徑為4 mm的紫銅管以及膠管引到測(cè)壓腔。全部導(dǎo)水管與葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在空心軸中設(shè)有支撐板以支撐轉(zhuǎn)動(dòng)中的導(dǎo)水管，測(cè)壓部分包括8個(gè)測(cè)壓腔和9個(gè)監(jiān)視腔，每2個(gè)腔之間采用骨架式橡膠油封圈進(jìn)行密封。密封圈與旋轉(zhuǎn)軸摩擦產(chǎn)生的熱量由旋轉(zhuǎn)空心軸中通過的冷卻水帶走，測(cè)壓腔中壓力值由與之相連的差壓計(jì)（或真空計(jì)）讀出。監(jiān)視腔中保持恒定且適當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>

圖2 葉片表面壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 測(cè)壓葉輪結(jié)構(gòu)簡圖

我們通過對(duì)一組比轉(zhuǎn)數(shù)ns＝60的3個(gè)葉輪A、B、C進(jìn)行了葉片背面表面壓力分布的測(cè)量，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，形成了一組曲線，具體如圖4所示。

圖4 3種葉輪表面壓力測(cè)量結(jié)果與計(jì)算值

3 結(jié)語

通過本裝置的測(cè)量結(jié)果可以看出，計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值基本吻合，但存在微小差異。而經(jīng)過進(jìn)一步的分析計(jì)算我們可以認(rèn)為：這一差異正是造成葉輪軸向推力、汽蝕余量計(jì)算值與實(shí)際值偏差的重要因素之一。所以通過本方法可以在水力模型的研制過程中測(cè)出葉輪葉片表面壓力分布值，從而對(duì)理論計(jì)算公式加以修正，最終得到更為準(zhǔn)確的軸向推力和汽蝕余量計(jì)算結(jié)果，使水力機(jī)械設(shè)計(jì)更為精確。

［1］屠大燕.流體力學(xué)與流體機(jī)械［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994

［2］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國宇航出版社，2011

［3］查森.葉片泵原理及水力設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987