隔舌間隙對自吸離心泵自吸性能的影響

李 紅 陸天橋 詹連辰

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013)

隔舌間隙對自吸離心泵自吸性能的影響

李 紅 陸天橋 詹連辰

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013)

為分析隔舌間隙對泵自吸性能的影響及其原因，進一步掌握泵的自吸機理，對外混式自吸離心泵在不同隔舌間隙時的自吸過程進行了高速攝影試驗，通過圖像處理技術研究蝸殼擴散段內氣泡的數量、大小及運動軌跡，同時測量自吸完成時間。研究結果表明，自吸過程中擴散段靠近氣液分離室左側區域的氣泡呈現小而密的特點，右側區域的氣泡呈現大而疏的特點。直徑較小的氣泡在蝸殼擴散段出口更容易被排出，較大的氣泡在擴散段內振蕩、回旋，不利于自吸的完成。當隔舌間隙從1.0 mm增加到2.5 mm時，經過隔舌進入擴散段的氣泡平均直徑從1.2 mm增加到1.9 mm，自吸完成時間從28 s上升到113 s，即隔舌間隙越小，進入蝸殼擴散段的氣泡直徑越小，這是減小隔舌間隙自吸時間縮短的微觀機理。

自吸離心泵； 隔舌間隙； 自吸性能； 高速攝影

引言

自吸離心泵是一種特殊的離心泵，除首次啟動需要對泵體進行灌水外，以后啟動都能自行排出進水管內的空氣，完成自吸過程。自吸離心泵具有操作方便、適應性強等優點，特別是啟動頻繁、流動作業、灌液困難的場合[1-4]。根據水和氣體混合位置的不同可將自吸泵分為外混式和內混式2種，本文以國內應用廣泛的65ZB-40C型外混式自吸離心泵作為研究對象。

目前，國內外很多學者專注于自吸離心泵自吸機理的研究，孔祥云[5]通過試驗把自吸過程氣水邊界層外側的氣泡分為停滯氣泡和移動氣泡，明確了停滯氣泡對自吸性能的不良影響。沙毅等[6-8]通過試驗對比分析了自吸泵葉輪型式和隔舌間隙對自吸性能的影響，并對自吸過程的流場進行了分析，提出了提高自吸性能的方法。儀修堂等[9-10]對內混式自吸離心泵射流自吸裝置進行了試驗，分析了自吸過程中吸水管和葉輪進口真空度的變化情況，以及射流嘴幾何參數對自吸性能的影響。MINEMURA等[11]采用氣泡流模型對離心泵內氣液兩相流進行了數值模擬，并通過試驗驗證。劉建瑞等[12-13]采用Mixture模型、Realizable模型與SIMPLEC算法，對內混式自吸離心泵自吸過程進行了模擬，得到不同含氣率下流場的壓力、速度和氣相分布。上述研究大多通過試驗來分析泵的水力結構對泵外特性以及自吸性能的影響，或者通過數值模擬分析自吸離心泵的自吸過程，很少涉及隔舌間隙等水力結構的變化對自吸性能產生影響的微觀機理分析以及自吸過程中氣液兩相流的變化過程與自吸性能、自吸機理之間的內在聯系。

文獻[14-15]注重于泵自吸過程氣液兩相流的數值模擬，并進行了可視化試驗初步研究。本文進一步分析氣液分離室和擴散段內氣泡的數量、大小及運動軌跡，通過改變泵的隔舌間隙進行自吸性能試驗和氣泡內部流動分析，從自吸機理上研究隔舌間隙對自吸性能的影響，以及與自吸性能、自吸機理之間的內在聯系。

1 材料和方法

1.1 自吸性能高速攝影試驗裝置

高速攝影試驗在江蘇大學國家水泵中心實驗室進行。試驗臺由自吸離心泵、高速攝影系統、壓力傳感器、流量計、電動機、水箱等組成，如圖1所示。自吸離心泵是由葉輪、蝸殼、S型彎管、氣液分離室、儲液室等關鍵部件組成的有機玻璃結構，初始狀態時泵的進口管以下為水，以上為氣體，葉輪完全浸沒在水里。選取葉輪轉速為1 800 r/min時的最佳工況點(流量15 m3/h、揚程9 m)作為高速攝影的研究工況點[16]。高速攝影系統由高速攝影機、計算機和LED光源組成，其中高速攝影機選自美國IDT公司，型號為Y-Series 4L。為了清晰地拍攝到自吸過程中葉輪流道、蝸殼及氣液分離室內氣液兩相流態以及氣泡的變化，試驗在晚上進行，保證除了LED光源照射拍攝區域以外無其他光源干擾，拍攝頻率為500幀/s。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental apparatus1.水箱 2.閥門 3.電磁流量計 4.科式質量流量計 5.電動機 6.壓力傳感器 7.自吸離心泵 8.計算機 9.信號采集器 10.LED光源 11.高速攝影機

1.2 隔舌改變裝置

隔舌間隙是指蝸殼最小半徑與葉輪出口半徑之差。已有的泵自吸性能的研究發現，影響泵自吸性能最重要的水力結構尺寸主要是：隔舌間隙、葉輪外徑線速度等。為了研究影響泵自吸性能最重要的水力參數——隔舌間隙對自吸性能的影響，本研究設計了隔舌板，即一個可移動的與泵體分開的單獨部件，如圖2所示。在隔舌板上打2個腰圓孔，通過螺栓固定在泵體上，松開螺栓后隔舌板可以上下移動。自吸性能試驗時，移動隔舌板位置調節葉輪與隔舌的間隙。

圖2 自吸泵結構示意圖Fig.2 Structure diagram of self-priming pump1.S型彎管 2.葉輪 3.儲液室 4.氣液分離室 5.隔舌板 6.蝸殼 7.回流孔

1.3 圖像處理方法

1.3.1 圖像的預處理

高速攝影拍攝到的圖像信息復雜，部分需要進行篩選和預處理來獲取氣泡信息，本文采用二值化、中值濾波等預處理方法[17-18]。中值濾波采用medfilt2函數，其原理是把區域的像素按灰度進行排序，取灰度中值作為當前像素的灰度，計算公式為

g(x,y)=med(f(x-k,y-i)) (k、i∈W)

(1)

式中f(x,y)——原始圖像g(x,y)——處理后的圖像 med( )——取中值函數W——二維模板

圖像的二值化采用im2bw函數，其原理是通過設定一個閾值，把所有像素點的灰度變成0或255，計算公式為

(2)

其中Th是設定的閾值，這里采用迭代法求出圖像的最佳閾值，首先用圖像的平均灰度作為初始閾值把圖像進行分割，然后根據不同區域的權重求出新的圖像閾值，再用這一閾值對新的圖像進行分割，如此迭代直到新的閾值與上一閾值之差小于規定值。二值化后的圖像中白色氣泡能夠被黑色的背景突出，方便之后的觀察和計算，如圖3所示。

圖3 圖像處理效果Fig.3 Effects of image processing

1.3.2 氣泡的大小、數量和運動軌跡

氣泡的大小和數量通過bwlabel函數計算得到，其原理是標記二值圖像矩陣中的連通域，即在黑色的二值圖背景中甄別出白色的氣泡，每一個氣泡即一個連通域，算法為

(L,n)=b(B,n0)

(3)

式中b( )——bwlabel函數B——二值圖像矩陣n0——一般為 4或者8，表示按照4連通或者8連通的方式尋找區域

n——得到的連通域個數，即氣泡的個數

L——返回得到的與B大小相同的矩陣，包含了B中每個連通域的類別標簽，通過統計L矩陣中相同標簽的數量得到氣泡的像素大小

氣泡直徑的計算公式為

(4)

式中d的單位是像素，按照尺寸標定換算成毫米，1 016像素對應的實際尺寸是135 mm，S表示連通域像素面積。通過mean函數可以得到連通域內所有點坐標的算術平均值即氣泡的形心坐標，輸入到Origin軟件得到氣泡的運動軌跡[19]。

2 結果和討論

2.1 自吸過程

隔舌間隙為1 mm時自吸過程泵內的氣液兩相流態變化由高速攝影系統記錄下來，隨著電動機的啟動，葉輪轉速上升并穩定在1 800 r/min，在葉輪進口處形成的負壓使得管道內的空氣與泵體內的水混合，如圖4所示，葉輪流道內充滿大小不一的氣泡從葉輪進口向葉輪出口運動，并在葉輪外緣處形成一個半徑65～93 mm的穩定圓環狀氣液混合層，如圖5所示,紅線代表葉輪外緣。這一混合層經過隔舌時被打破,形成比較均勻的氣液兩相流，一部分進入氣液分離室，另一部分直接進入泵出口排出泵體, 進入氣液分離室的氣液混合物進行氣液分離，分離出的氣體經擴散段排出泵體，液體通過回流孔回流到葉輪外緣，繼續參與循環。隨著管道和泵體內的氣體全部被排出，到28 s時自吸完成[20]。

圖4 自吸過程葉輪的高速攝影圖Fig.4 High-speed image of the impeller

圖5 葉輪外緣的氣液混合層Fig.5 Gas-liquid mixing layer at outer edge of the impeller

圖6是自吸過程不同時間點氣液分離室和蝸殼擴散段的高速攝影圖像(圖2中區域P)。圖6a是電動機剛啟動時，氣液兩相流還沒有進入氣液分離室。圖6b、6c這一過程中氣液分離室內穩定地進行著氣液分離，并在中間形成一個氣相空穴。之后自吸突變，從泵出口排出的氣泡數量驟增，氣液分離室內的氣相空穴消失，不再進行氣液分離，如圖6d所示。隨著管路內的氣體越來越少，自吸即將完成，如圖6e所示，此時氣液分離室和泵體即將充滿水。圖6f中泵體內的空氣基本被排光，自吸已經完成，泵正常輸水。

圖6 自吸過程中氣液分離室和蝸殼擴散段的高速攝影圖Fig.6 High-speed images of gas-liquid separation chamber and diffuser during the self-priming process

2.2 蝸殼擴散段內氣泡分布

為了通過微觀的氣泡特性分析不同隔舌間隙對泵自吸性能的影響，首先要研究某一間隙下經過隔舌進入蝸殼擴散段內的氣泡規律。圖7截選自圖6a中區域Q，是隔舌間隙為1 mm、自吸開始15 s時段內氣泡的分布圖。選取左右兩邊100像素×100像素區域(圖中紅色方框內區域)，計算該區域內氣泡的個數和平均直徑，一半在該區域內的氣泡在圖像中也是一個連通域，算作一個氣泡。得到該時刻左邊區域的氣泡個數為45，平均直徑為1.2 mm。右邊區域的氣泡個數為26，平均直徑為1.9 mm，即蝸殼擴散段內靠近氣液分離室左邊區域的氣泡相比于右邊區域的氣泡尺寸小、數量大。選擇泵自吸過程其他時刻的高速攝影圖片進行計算，同樣符合這樣的規律。

圖7 自吸過程蝸殼擴散段內氣泡分布的局部放大圖Fig.7 Partial enlarged image of bubble distribution in diffuser during the self-priming process

探究氣泡的運動規律，將自吸開始后15 s到15.014 s時間段內的擴散段氣泡分布圖進行圖像處理,每張圖的間隔時間為0.002 s，去除背景選取左右的氣泡D、E、F、G分析其運動，如圖8所示，其中圖8a是由圖7處理得到的。計算這些氣泡不同時刻的形心坐標，并在一個坐標軸上表示出來，如圖9、10所示，其中橫坐標是圖像水平方向的像素位置，縱坐標是圖像豎直方向的像素位置。可以發現左邊的氣泡D和E迅速向上運動排出泵體即所謂的移動氣泡，而右邊氣泡F和G在擴散段內回旋運動、上下振蕩，即所謂的停滯氣泡，這些氣泡的存在阻礙了移動氣泡的排出，延長了自吸時間。

由此可見，小而密的氣泡群聚集在蝸殼擴散段左邊，能夠迅速地排出泵體；大而疏的氣泡群在蝸殼擴散段內停滯的時間較長。即減小從泵體隔舌出來的氣泡大小是縮短泵自吸時間，提高泵自吸能力的一個有效途徑。

圖8 蝸殼擴散段內氣泡運動圖Fig.8 Moving bubbles in diffuser during the self-priming process

圖9 氣泡的運動軌跡Fig.9 Trajectories of bubbles

圖10 區域W放大圖Fig.10 Enlarged view of area W

2.3 隔舌間隙對自吸性能的影響

改變隔舌板位置，調節葉輪與隔舌間隙分別為1.0、1.5、2.0、2.5 mm進行自吸性能試驗。自吸完成時間以出口流量達到泵正常輸水狀態下的流量為準，每一種隔舌間隙測試3次，結果取其平均值。

圖11為不同隔舌間隙對應的自吸離心泵自吸完成時間，可以發現隔舌間隙為1.0、1.5、2.0、2.5 mm對應的自吸完成時間分別為28、35、47、113 s，自吸時間隨著隔舌間隙的增大呈指數式上升，隔舌間隙越小自吸性能越好，這與傳統的自吸離心泵設計理論相吻合。試驗中，如果間隙小于1.0 mm，自吸泵會產生很大的噪聲，這是因為氣液混合物經過隔舌時會造成阻塞產生振動。間隙大于2.5 mm時，自吸將難以完成。

圖11 自吸時間隨隔舌間隙的變化曲線Fig.11 Variation of self-priming time

圖12是隔舌間隙分別為1.0、1.5、2.0、2.5 mm時自吸過程擴散段內氣泡分布，計算圖中紅色方框圈出的100像素×100像素區域內氣泡的平均直徑，得到氣泡直徑依次為1.2、1.2、1.3、1.9 mm，這表明隔舌間隙越大，從隔舌進入蝸殼擴散段的氣泡直徑越大。當隔舌間隙大于2.5 mm時，從高速攝影試驗結果可以看出，平均直徑大于2 mm的氣泡群在蝸殼擴散段和泵體出口處隨液流上下振蕩，沒有進入出口管道排到水箱中，出口管道上的電磁流量計讀數恒為零，自吸泵已經完全喪失了自吸能力。此時氣液分離室沒有氣相空穴的形成，不再承擔氣液分離的作用，只是作為巨大的泄漏損失存在，氣液兩相流進入氣液分離室馬上回流到葉輪出口，如此循環。

圖12 不同隔舌間隙下擴散段內氣泡分布Fig.12 Distribution of bubbles in the diffuser

由此可見，隔舌間隙越小，經過隔舌進入蝸殼擴散段的氣泡直徑越小，形成的氣泡群越容易排出泵體，這是試驗所得到的減小隔舌間隙、自吸時間縮短這一規律的微觀機理。

3 結論

(1)經過隔舌進入蝸殼擴散段的氣泡大小比較均勻，但由于氣泡的聚并和分裂，在擴散段出口的氣

泡大小不一。自吸開始15 s時，擴散段左邊100像素×100像素區域內的氣泡個數為45，平均直徑為1.2 mm，而右邊區域的氣泡個數為26，平均直徑為1.9 mm,這說明自吸過程中擴散段左邊區域的氣泡呈現小而密的特點，右邊區域的氣泡呈現大而疏的特點。

(2)小氣泡在擴散段出口迅速向上運動，很容易排出泵體，形成移動氣泡。大氣泡震蕩回旋，不利于自吸過程的進行，即所謂的停滯氣泡。減小從隔舌出來的氣泡大小是縮短自吸離心泵自吸時間，提高自吸性能的重要手段。

(3)當自吸泵葉輪與隔舌的間隙從1.0 mm增加到2.5 mm時，經過隔舌進入擴散段的氣泡平均直徑從1.2 mm增加到1.9 mm，自吸完成的時間從28 s上升到113 s。這說明隔舌間隙越大，從隔舌進入蝸殼擴散段的氣液兩相流中的氣泡越大，越不容易排出泵體，自吸時間越長。

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Influence of Gap between Impeller and Tongue on Centrifugal Pump Self-priming Performance

LI Hong LU Tianqiao ZHAN Lianchen

(ResearchCentreofFluidMachineryEngineeringandTechnology,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

The high-speed photography system was built to investigate the self-priming process of external mixing self-priming pump to analyze the influence of gap between impeller and tongue on self-priming performance of pumps, and then further grasp the self-priming mechanism. The digital images processing technique based on Matlab was applied to compute the number, average diameter and motions of bubbles in the area of diffuser. The tongue gap was resized and the self-priming time was measured to research the internal relations between the bubbles characteristics and self-priming mechanism. The results show that self-priming process is a complicated unsteady gas-liquid two phase flow and always accompanied by generation, collapse, gathering and splitting of bubbles. During the self-priming process, bubbles in the left area of diffuser are smaller and denser, which are easier to be discharged out of the pump. On the contrary, bubbles in the right area vibrate and rotate, which goes against self-priming and wastes energy. When the gap is increased from 1.0 mm to 2.5 mm, the average diameter of bubbles in the diffuser is increased from 1.2 mm to 1.9 mm and the self-priming time is increased from 28 s to 113 s. It means that the bigger the gap is, the bigger diameter of bubbles from tongue to diffuser will be and the longer the self-priming time will be.

self-priming centrifugal pump; tongue gap; self-priming performance; high-speed photography

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.018

2016-11-07

2016-12-06

國家自然科學基金項目(51679109)

李紅(1967—)，女，研究員，博士生導師，主要從事流體機械及工程研究，E-mail： hli@ujs.edu.cn

TH311

A

1000-1298(2017)03-0141-07