转速对微型喷水推进泵性能影响的试验研究

胡海鹏,石海峡,柴立平,李绍旭,夏　天

(合肥工业大学 化工机械研究所,安徽 合肥　230009)



转速对微型喷水推进泵性能影响的试验研究

胡海鹏,石海峡,柴立平,李绍旭,夏天

(合肥工业大学 化工机械研究所,安徽 合肥230009)

摘要:微型喷水推进泵的水力特性直接影响着喷水推进系统的效率。文章以功率小于400 W的微型喷水推进泵为模型,通过电机试验得出电机在不同转速情况下的特性,并针对喷水推进泵大流量、低扬程的特点搭建专门外特性试验台,对压力、流量等参数进行测量采集,得出不同转速情况下喷水推进泵的特性曲线。研究结果表明,喷水推进泵的转速对效率有着重要的影响,随着转速的增加,最优效率向大流量区域偏移,效率峰值也随着转速的增加而增大。在喷水推进泵设计完成后可以通过转速的优化控制得出最优的效率工作区,提高不同应用环境下喷水推进泵的工作时间。

关键词:转速;微型喷水推进泵;水力效率

0引言

微型喷水推进泵集成安装在水下航行器尾部,使用水下航行器自带电池来驱动工作,依靠泵喷出流体的动量变化产生推力,提高水下航行器在深海的机动性能,使其具备自由滑翔、长时间潜伏、长距离续航的能力[1-2]。作为一种耗能设备,由于实际工作环境的复杂性和多变性,喷泵在实际工作中会经常偏离设计工况,造成运行效率降低、动力能源浪费严重的后果[3]。在实际工程应用中,为了保证喷水推进泵在较大的工况变化范围内保持高效率运行,对于大功率的喷水推进系统通常采用变角、变转速调节技术来调节工况,确保喷水推进系统的高效率运行[4]。而微型喷水推进泵由于结构紧凑简单、流量大、扬程小等特性,变角调节技术无法执行。

本文针对微型喷水推进泵的特性专门搭建喷泵外特性试验台,通过改变电机转速来研究不同转速情况下喷泵的外特性变化,为研究不同工作环境下提高推进能效奠定基础。

1喷水推进泵水力模型

本文以功率小于400 W的微型喷水推进泵为模型,该模型装置由电机、支承段(连接轴)、进水流道、叶轮、导叶、导流帽和喷口等组成,如图1所示,设计参数见表1所列。

图1　喷水推进泵结构图

参数体积流量/(m3·h-1)扬程/m转速/(r·min-1)电机功率/W数值400.41000400

采用线性环量分布和流线法进行叶轮水力设计,叶型是在791翼型基础上作相应修改得到的,导叶叶片采用常规的流线法设计,也选用791翼型[4]。计算得到的模型泵几何参数见表2所列。

表2　微型喷水推进泵水力设计几何参数

根据CAD程序计算得出的各流面翼型空间坐标[5],应用Pro/E直接进行喷泵三维几何造型和叶片形状检查[6],叶轮直径和出口宽度相同。叶轮和导叶实物如图2所示。

图2　叶轮与导叶

2电机型式试验

由于微型喷水推进泵的功率小,电机输出功率随负荷和转速的改变而变化,进而对喷泵效率计算产生直接影响,因此需要进行电机性能试验。

2.1电机试验

试验采用小功率铁氧体永磁直流电机作为喷水推进泵的动力源,额定功率为400 W,频率为50 Hz,直流电压为24 V。

直流电机调速范围广,易于平滑调速和操作控制,可靠性较高,但是在改变转速时电机效率会随之变化。

为了使喷泵性能试验数据更加真实准确,本文采用MAGTROL磁滞测功机和测功机控制器对试验用直流电机进行机械特性试验[7],得出相应的电机特性曲线和效率曲线,从而准确得到电机不同转速时的实时输出功率,即传递给泵的轴功率。在电机试验的过程中,通过调节PWM脉宽调制调速器来调节电机两端电压,使之对应为喷水推进泵变转速试验时电机两端的电压。

2.2试验结果分析

微型喷水推进泵的变转速试验选取8种不同的转速工况,分别为800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 r/min,对应的电机电压分别为11.8、12.9、14.8、16.1、17.9、19.0、20.9、22.6 V。

为避免重复性,本文选取电机电压为22.6 V的性能试验为例,电机特性曲线如图3所示。

电机里存在各种损耗,包括摩擦损耗、碳精与换向器的电压降损耗、风损耗、磁滞损耗和涡流损耗。

从电流-转矩特性曲线可以看出,电枢上的电流与产生的负载转矩成线性关系,存在电机损耗,要使电机无负载,需用转矩为0时的电流来补偿电机固有的损耗。

图3　电机工作特性曲线

从转速-转矩特性曲线可以看出,电机旋转转速与产生的负载转矩成线性关系,存在固有损耗和转矩损耗。

从输出功率-转矩特性曲线可以看出,输出功率与产生的负载转矩成二次方程式关系。

从效率-转矩特性曲线可以看出,效率与产生的负载转矩成非线性关系。

3微型喷水推进泵试验台

由于喷水推进泵的结构和潜入水中工作环境的特殊性,本试验只能采用开式试验台[8-9]。喷水推进泵在固定管路装置中的工况点由喷泵性能曲线和管路性能曲线的交点决定,本试验台采用U型管路设计,在试验台水箱中水位始终保持不变,从而保证管路性能曲线不会因为水位变化而影响工况点变化,以尽可能减小管路损失对喷泵性能的影响。

本文喷泵试验台完全自主设计和搭建,在合肥华升泵阀股份有限公司进行试验,试验台符合文献[10-11]的要求,试验系统运行稳定、重复性好。试验方法按照文献[12]试验规范进行,试验误差均在规范允许的范围内。

由于喷水推进泵的特殊结构,电机采用不潜水开放式处理。喷水推进泵采用加长轴与电机直联为整体,确保电机的最低面高于液面,保证电机的运行安全。同时,电机后端留有开放式口,采用频闪仪进行测速。选用精确度为0.5%级的电磁流量计,扬程及压强的测量选择精度为0.1%、量程为-0.1～0.1 MPa的压力变送器,电测法测定喷泵轴功率,喷泵进出口压力、流量、电流、电压通过数据采集卡自动采集存入电脑,确保数据的可信性和准确性。流量计后端安装阀门控制流量,通过阀门的调节完成整个性能曲线。

回流槽设置溢流板,确保回流水在喷泵进口的稳定性,尽可能避免在进口出现紊流。喷水推进泵试验模型如图4所示,试验台如图5所示。

图4　喷水推进泵模型

图5　泵试验台图

4不同转速下喷泵性能试验

为研究不同转速工况下微型喷水推进泵的性能变化规律,试验采用PWM脉宽调制调速器对泵转速进行调节,这种调速装置通过控制电枢直流电压来实现直流电动机连续平滑的无极调速,从而改变泵的转速。试验均匀选取8个不同转速工况(1 500、1 400、1 300、1 200、1 100、1 000、900、800 r/min)。每个转速工况下,从阀门全开最大流量到关死点流量,均匀选取超过10个流量点进行试验,自动采集试验数据,得到不同转速工况下喷泵的性能。为了计算方便,将自动采集的每组试验转速下的10个数据进行处理,确定8组不同转速工况下泵的运行特性曲线。

通过处理原始数据并考虑和计入电机效率,得到各转速工况下喷泵的外特性曲线，如图6所示,各转速下最优工况性能参数见表3所列。

转速对微型喷水推进泵性能影响结果如下：

(1)随着转速的提高,流量-扬程曲线递增且变化趋势基本一致,但变化规律已不符合相似定律;各个转速工况下,从最大流量到关死点,扬程逐渐上升,关死点时扬程最大;同时，随着转速的提高,扬程的变化波动范围越来越大;同一流量点对应的扬程变化值随转速的提高而增大。

(2)随着转速的提高,流量-功率曲线递增且变化趋势基本一致,但变化规律已不符合相似定律;各个转速工况下,从最大流量到关死点,轴功率先增加到极大值点,再减小到极小值点,然后继续增加,最后在关死点达到峰值,其中轴功率极大值点随着转速的提高而往大流量方向偏移;同一流量点对应的轴功率变化值也随转速的提高而增大。喷水推进泵在关闭截止阀情况下轴功率稍高于最高效率工况时的功率值,这样的功率值可以使喷水推进泵在流量-扬程曲线的任意工况下运行而电机不会有过载的危险。

(3)随着转速提高,流量-效率曲线最高效率点向大流量方向偏移,高效率区域逐渐变宽,效率峰值也有所增加,这表明微型喷水推进泵适合采用变转速方法进行工况运行和性能调节。各转速最优工况点之间已不是相似工况,也不符合相似定律,即泵内运动条件和动力条件已不相似。

分析原因如下:

(1)喷泵由于漩涡运动产生扬程,在部分流量时,因希望沿着阻力最小的路程流动,所以在工作轮的旋转方向上有一个预旋,预旋的直接影响是降低了工作轮的负荷,减小了零流量下的扬程和轴功率。

(2)导致平坦的轴功率曲线的因素。如果在零流量时,工作轮流道内的液体以与工作轮相同的速度旋转,则所需的轴功率最小。这种条件近似于低转速离心泵工作轮中的情况,因为这种工作轮叶片间的流道比较窄,工作轮中的液体与泵体中液体之间的动量交换受到了限制。另一方面,在轴流式喷水推进泵内,流量为0时工作轮叶片接触的液体与泵体中的液体之间的动量交换则可以自由地进行,其结果使功率消耗在形成漩涡上,所以当流量减小时,轴功率就增加。

(3)喷水推进泵的流量是由喷水推进泵的工况点决定的,而喷水推进泵的工况点则由喷水推进泵的特性曲线和装置扬程特性曲线的交点决定。改变喷水推进泵的转速,可以使喷水推进泵的特性发生变化,进而使喷水推进泵的工况点发生变化,既可以使喷水推进泵的扬程和流量满足要求,又能使喷水推进泵始终运行在高效工况区,达到节能和续航的目的。

图6　不同转速时的外特性曲线

转速/(r·min-1)体积流量/(m3·h-1)扬程/m轴功率/W泵效率/%比转速80020.244000.4626492044.5239273964.118127780.676130290022.905850.5699882458.4395313265.281000798.8916925100025.535490.6761866276.3000449565.683000824.5059160110027.359790.8413183999.0839281568.037000796.8936935120030.285200.95964399126.8808327070.333603828.6773520130030.292781.20490080158.0298825072.454307756.9567355140034.984801.32625834194.5021002073.513541815.2076517150034.992201.61836417235.3408375075.059507752.3870306

在实际工程应用中,可以通过改变喷水推进泵转速的方法进行性能调节,例如要求小流量运行时,通过降低电机转速、提高效率使扬程和流量满足实际需求,也可使喷水推进泵以更低的功率消耗实现高效运行;而当要求大流量运行时,低转速无法满足要求,此时即可通过提高转速来实现运行目标。

5结论

本文通过变转速工况下对微型喷水推进泵性能影响的试验研究，得出结论如下：

(1)变速调节可以显著节省功率,经济合算。

(2)微型喷泵适合采用变转速方法运行工况及调节性能，转速越高,泵效率峰值越大。

(3)喷水推进泵运行在经常变化的水下环境,尤其在偏离设计工况的流量区域,通过转速调节能使喷水推进泵始终工作在最优效率区,所以采取变转速运行可以明显降低动力消耗,提高续航能力。

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[10]GB/T 18149-2000,离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范[S].

[11]ISO/DIS 5198-1987,离心泵、混流泵和轴流泵液压性能试验规范精密级[S].

[12]GB/T 3216-2005,回转动力泵水力性能验收试验1级和2级[S].

(责任编辑胡亚敏)

Experimental study of the influence of rotating speed on the performance of micro water jet pump

HU Hai-peng,SHI Hai-xia,CHAI Li-ping,LI Shao-xu,XIA Tian

(Research Institute of Chemical Machinery,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Abstract:Hydraulic performance of micro water jet pump influences the efficiency of water jet propulsion systems directly. In this paper,based on the model of micro water jet pump with power of less than 400 W,the motor characteristic under different rotating speeds was acquired by motor test,the specialized test bench of external characteristic was built according to the features of low lift and large flow rate,and then the key parameters such as pressure and flow were collected,thus the characteristic curve of water jet pump under different rotating speeds could be achieved. The research results showed that the rotating speed had a prominent effect on the efficiency of water jet pump,the optimal efficiency area moved towards large flow area and the peak of efficiency increased with the increase of rotating speed. Once the water jet pump was designed,the work area with optimal efficiency could be found by the optimization control of rotating speed. Consequently the run duration of water jet pump under different applications could increase remarkably.

Key words:rotating speed;micro water jet pump;hydraulic performance

收稿日期：2015-02-10；修回日期：2015-04-23

基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA091002)

作者简介：胡海鹏(1990-),男,江苏镇江人,合肥工业大学硕士生； 石海峡(1969-),女,吉林公主岭人,合肥工业大学高级工程师,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.002

中图分类号:TH312

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0725-05