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多級(jí)混流式混輸泵氣液兩相增壓特性

發(fā)布時(shí)間：2025-04-17

多級(jí)混流式混輸泵氣液兩相增壓特性

戴曉宇徐強(qiáng) 楊晨宇蘇筱斌郭烈錦

（西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

DOI：10.11949/0438-1157.20240924

摘要在高入口含氣率下，混輸泵的增壓性能劇烈惡化，對(duì)化工生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。采用surging test和mapping test兩種測(cè)試方法，全方位探討了多運(yùn)行參數(shù)對(duì)三級(jí)混流式混輸泵整體與級(jí)間氣液兩相增壓特性的影響。研究結(jié)果表明，隨著液相流量的提升，增壓性能曲線由三個(gè)增壓級(jí)性能逐級(jí)惡化導(dǎo)致的波紋狀下降趨勢(shì)逐漸消失。多級(jí)混輸泵增壓性能的顯著惡化主要?dú)w因于首個(gè)增壓級(jí)性能的劇烈下滑。提高液相流量能有效減輕氣體積聚，其對(duì)增壓性能的正面促進(jìn)作用顯著超過了流動(dòng)分離帶來的負(fù)面影響，因而增壓隨液相流量變化曲線呈現(xiàn)驟升趨勢(shì)。提高入口壓力有助于緩解氣團(tuán)聚集對(duì)增壓性能的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞泵；混流式混輸泵；氣液兩相流；氣含率；增壓劇烈惡化

引用本文：戴曉宇, 徐強(qiáng), 楊晨宇, 蘇筱斌, 郭烈錦. 多級(jí)混流式混輸泵氣液兩相增壓特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2025, 76(2): 554-563 (DAI Xiaoyu, XU Qiang, YANG Chenyu, SU Xiaobin, GUO Liejin. Gas-liquid two-phase pressurization characteristics of multistage mixed-flow multiphase pump[J]. CIESC Journal, 2025, 76(2): 554-563)

引言

混輸泵是一種具有高揚(yáng)程、高效率、抗氣蝕等特點(diǎn)的葉片泵，在石油、化學(xué)、核能等工程中被廣泛用于輸送液相工質(zhì)^[1-3]。然而，在多應(yīng)用場(chǎng)景中，混輸泵常常需要處理氣液混合流體^[4-5]。當(dāng)進(jìn)入混輸泵的氣體體積分?jǐn)?shù)較大或大量氣團(tuán)進(jìn)入混輸泵時(shí)，泵的性能急劇惡化，甚至失效，對(duì)生產(chǎn)效率和安全構(gòu)成巨大威脅^[6]。因此，研究混輸泵在氣液兩相條件下的增壓性能以及性能劇烈惡化具有重要意義。

學(xué)者們研究了部分運(yùn)行參數(shù)對(duì)混輸泵在氣液兩相條件下水力性能的影響。Luo等^[7]研究了不同入口含氣率下混輸泵的壓力波動(dòng)特性。Lea等^[8]報(bào)道當(dāng)入口含氣率超過某個(gè)臨界值時(shí)，混輸泵會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的喘振現(xiàn)象。Fu等^[9-11]研究了混輸泵在氣液兩相條件下的增壓性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)（inlet gas volume fraction, IGVF）增加時(shí)，泵的增壓性能會(huì)急劇惡化，并且混流式結(jié)構(gòu)相較離心式結(jié)構(gòu)能夠更好地處理氣液兩相流體。Gamboa等^[12]將混輸泵發(fā)生性能惡化時(shí)的入口含氣率稱為臨界含氣率；并報(bào)道混輸泵的增壓性能發(fā)生劇烈惡化時(shí)的流量隨著轉(zhuǎn)速與入口壓力增加向低流量移動(dòng)。Shi等^[13]將葉輪沿軸向分為三段，通過數(shù)值模擬得到不同區(qū)域的增壓數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，隨著流量的增加，增壓性能從進(jìn)口段到出口段逐漸降低。當(dāng)液相工質(zhì)含有一定量的氣體時(shí)，混流泵仍然具有相對(duì)較高的增壓能力。但當(dāng)IGVF達(dá)到一定閾值時(shí)，混輸泵的增壓會(huì)發(fā)生惡化，具體表現(xiàn)為增壓驟降^[14]。Xu等^[15]通過測(cè)量混輸泵的瞬態(tài)壓力來研究?jī)?nèi)部氣液流動(dòng)。結(jié)果表明，氣體聚集導(dǎo)致了壓力波動(dòng)幅度的增加，并且氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)與壓力的波動(dòng)息息相關(guān)。Monte等^[16]開展了可視化研究，觀察了離心式葉輪的氣液兩相流動(dòng)。結(jié)果表明，氣團(tuán)的聚集以及流動(dòng)影響了混輸泵的增壓性能及運(yùn)行穩(wěn)定性。Yang等^[17]研究了多級(jí)混流泵的級(jí)間增壓特性，發(fā)現(xiàn)級(jí)間增壓惡化沿級(jí)數(shù)增加方向逐漸減弱，增加增壓級(jí)數(shù)可以有效提高臨界含氣率。He等^[18]研究了離心式混輸泵的氣液兩相性能，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量與轉(zhuǎn)速可以改變流型，進(jìn)而消除喘振現(xiàn)象。

葉片設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泵的兩相增壓性能有顯著影響。Ji等^[19]對(duì)三種不同葉輪葉片數(shù)的混輸泵進(jìn)行了外特性實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，葉輪葉片數(shù)量的增加提高了泵揚(yáng)程和效率，但也導(dǎo)致混輸泵失速的早期發(fā)生，增加了泵的不穩(wěn)定性。Bing等^[20]實(shí)驗(yàn)研究了葉片安放角度的誤差對(duì)混輸泵氣液兩相性能的影響。Ni等^[21]研究了葉片厚度對(duì)混輸泵失速特性的影響。結(jié)果表明，葉片安放角與葉片厚度的小幅度改變對(duì)混輸泵的增壓幾乎無影響，但適當(dāng)增加葉片厚度及數(shù)量可以推遲失速現(xiàn)象的發(fā)生。

葉輪的結(jié)構(gòu)主要有開式、半開式及閉式。開式葉輪的葉片伸展至輪轂外，閉式葉輪的葉片被輪轂包圍，而半開式葉輪則介于兩者之間，葉片部分伸展至輪轂外，部分被輪轂包圍。由于開式葉輪內(nèi)容易產(chǎn)生渦流和不穩(wěn)定流動(dòng)，氣泡和液體的相互作用會(huì)加劇這種不穩(wěn)定性，影響泵的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性^[22]，因而在處理含氣工質(zhì)時(shí)多采用半開式及閉式葉輪。Luo等^[23]研究了氣液分布對(duì)半開式混流泵性能的影響。結(jié)果表明，進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)和液體流量是影響泵性能的主要因素。Hundshagen等^[24]分析了閉式和半開式葉輪中單相和兩相流動(dòng)的區(qū)別。Wu等^[25]探討了添加上蓋板對(duì)半開式離心泵水頭和效率的影響。研究表明，添加上蓋板能夠有效地提高半開式離心泵的水頭和效率。Mansour等^[26]采用閉式與半開式葉輪研究了混輸泵的氣液兩相流的增壓特性。研究表明，配備閉式葉輪結(jié)構(gòu)的混輸泵在較大流量下具有更好的水力性能以及更低的滯后性，有效減少了喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，關(guān)于具有閉式葉輪結(jié)構(gòu)的混流式混輸泵在氣液兩相條件下的增壓特性研究仍較為匱乏。同時(shí)，對(duì)混流泵在氣液兩相條件下的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)制的研究目前主要集中在單級(jí)結(jié)構(gòu)。本研究采用surging test（固定液相流量）和mapping test（固定氣相流量）兩種測(cè)試方法，全面研究多參數(shù)和氣液兩相條件下三級(jí)混流式混輸泵的增壓性能及其相似性。并在此基礎(chǔ)上研究入口壓力對(duì)混輸泵整體與級(jí)間氣液兩相增壓性能的影響規(guī)律。以期為深入理解并完善混輸泵的氣液兩相流動(dòng)機(jī)制以及性能劇烈惡化機(jī)理，優(yōu)化葉型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)路

氣液兩相三級(jí)混流式混輸泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要由液相供給系統(tǒng)、氣相供給系統(tǒng)、混輸泵系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，與前期研究^[27-28]所用實(shí)驗(yàn)環(huán)路一致。液相供給系統(tǒng)由水箱、離心水泵、流量調(diào)節(jié)閥以及液相流量計(jì)（型號(hào)AXG-065）組成。離心水泵對(duì)液體增壓并輸送，最大流量為150 m³/h。在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)離心水泵電機(jī)的運(yùn)行頻率和下游流量調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)液相的流量。氣相供給系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)（型號(hào)W-10/350）、高壓儲(chǔ)氣瓶、氣相精密調(diào)節(jié)閥（型號(hào)Swagelok SS-31RS4）、質(zhì)量流量計(jì)和高壓截止閥組成。空氣壓縮機(jī)將氣體壓縮并干燥后送入高壓儲(chǔ)氣瓶，以保持壓力的穩(wěn)定性。高壓截止閥被用于控制氣相的通斷。三個(gè)并聯(lián)的氣相精密調(diào)節(jié)閥被用于調(diào)節(jié)氣相的流量。使用Rheonik公司生產(chǎn)的RHM015 GET2和RHM06 GET2型質(zhì)量流量計(jì)來對(duì)氣相流量進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)質(zhì)量流量計(jì)的量程分別為0~0.6 kg/min和0~20 kg/min，并且精度均為0.18% FS。混輸泵系統(tǒng)包括混勻器、三級(jí)混流泵、截止閥、氣液分離器、扭矩轉(zhuǎn)速儀（型號(hào)JN338-A）、變頻電機(jī)和變頻器（ABB公司）。在混勻器中，液體和氣體被充分混合，隨后進(jìn)入三級(jí)混流泵，并最終流入氣液分離器以實(shí)現(xiàn)兩者分離。控制位于泵出口處的兩個(gè)截止閥的開度來調(diào)節(jié)入口壓力。Omega公司的T型熱電偶被用于測(cè)量進(jìn)出口溫度。該熱電偶具有0.4%的高測(cè)量精度，適用溫度范圍為0~200℃。混流泵的轉(zhuǎn)速和扭矩則通過扭矩轉(zhuǎn)速儀來測(cè)量。轉(zhuǎn)速量程為0~6000 r/min，扭矩量程為-100~100 N·m，測(cè)量精度均為0.2% FS。變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 三級(jí)混流式混輸泵測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Schematic of three-stage mixed-flow multiphase pump system

1—儲(chǔ)液罐;2—給水泵;3—流量調(diào)節(jié)閥;4—液相流量計(jì);5—靜態(tài)混勻器;6—三級(jí)混流式混輸泵;7—扭矩轉(zhuǎn)速儀;8—變頻電機(jī);9—出口控制閥;10—高壓截止閥;11—?dú)庀嗾{(diào)節(jié)閥;12—空氣壓縮機(jī);13—高壓儲(chǔ)氣瓶;14—?dú)庖悍蛛x器

1—liquid tank; 2—centrifugal pump; 3—flow regulating valve; 4—liquid flowmeter; 5—mixer; 6—three-stage mixed-flow pump; 7—torque tachometer; 8—variable frequency motor; 9—outlet control valve; 10—high-pressure globe valve; 11—gas-phase regulating valve; 12—air compressor; 13—high-pressure gas storage cylinders; 14—gas-liquid separator

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由8個(gè)KELLER傳感器（PA-23）和NI數(shù)據(jù)采集模塊（NI-9253）以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成。傳感器被設(shè)置在混輸泵的出/入口、三組葉輪和擴(kuò)壓器的出口，如圖2所示。在這些傳感器中，只有用于測(cè)量混輸泵入口壓力的傳感器的量程為0~1000 kPa，其余的壓力傳感器的量程都是0~2000 kPa。所有這些傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度都是0.1% FS。NI公司制造的NI-9253采集模塊被用于采集數(shù)據(jù)。LabVIEW軟件被用于處理和儲(chǔ)存模擬電流信號(hào)數(shù)據(jù)。在穩(wěn)定工況下，采樣頻率設(shè)定為100 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為20 s，采樣頻次為3次。混輸泵由旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的擴(kuò)壓器組成。當(dāng)泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，實(shí)驗(yàn)流體被排擠到葉輪的外部。這個(gè)過程中，泵的機(jī)械能轉(zhuǎn)為流體的動(dòng)能。隨后流體在擴(kuò)壓器內(nèi)減速，因而動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為靜壓能。作為混輸泵的核心旋轉(zhuǎn)部件，葉輪的三維結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 三級(jí)混流式混輸泵結(jié)構(gòu)圖：(a)葉輪與擴(kuò)壓器截面及傳感器布置；(b)葉輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the three-stage mixed-flow pump: (a) impeller and diffuser cross sections and sensor layout; (b) impeller structure

葉輪與擴(kuò)壓器的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪與擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of impeller and diffuser

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本次實(shí)驗(yàn)采用surging test（喘振測(cè)試）與mapping test（映射測(cè)試）兩種測(cè)試方法。surging test中，保持液相流量不變，逐步增加氣相流量，直到泵發(fā)生嚴(yán)重性能惡化或surging（喘振）現(xiàn)象。surging test旨在檢測(cè)泵的穩(wěn)定性，特別是其穩(wěn)定與不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的界限。它揭示了泵在性能嚴(yán)重下降時(shí)的入口含氣率，適用于評(píng)估混輸泵的穩(wěn)定性。mapping test通過保持氣相流量恒定，逐漸增加液相流量至混輸泵失去增壓能力，系統(tǒng)地記錄泵在多種氣液流量、轉(zhuǎn)速和進(jìn)口壓力下的性能。此測(cè)試用于泵設(shè)計(jì)和研發(fā)階段，以確定最佳工作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)旨在探究混流泵在不同轉(zhuǎn)速及入口條件下的單相與兩相水力性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)定了1500~3500 r/min（3500 r/min為額定轉(zhuǎn)速）的五個(gè)轉(zhuǎn)速工況。液相流量范圍為10~115 m³/h，重點(diǎn)研究了最佳效率點(diǎn)流量（Q_BEP）附近流量區(qū)間，即（0.6~1.2）Q_BEP。氣相流量從0增至混輸泵失去增壓能力（最大35.83 m³/h）。入口壓力設(shè)定為200~800 kPa，以保障測(cè)試安全性和設(shè)備可靠性。水力效率η的最大相對(duì)誤差為1.65%，氣體體積流量的最大相對(duì)誤差為2.2%，入口含氣率的最大相對(duì)誤差為1.7%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單相水力性能

圖3(a)展示了不同轉(zhuǎn)速（1500、2000、2500、3000 r/min及額定3500 r/min）下，三級(jí)混流式混輸泵的液相揚(yáng)程和水力效率隨液相流量的變化。實(shí)線表示揚(yáng)程，虛線表示效率。隨著液相流量增加，揚(yáng)程先是急劇下降，隨后緩慢降低，最后再次快速下降，這反映了入口回流和葉片附近流動(dòng)分離的影響。水力效率則先升后降，初期由于渦流區(qū)域減小而提高，但過量流量會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)分離，降低泵的增壓能力和效率。單相水力效率

的計(jì)算公式如式（1）所示：

圖3 單相水力特性：(a)增壓與效率隨液相流量變化曲線；(b)無量綱揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化曲線Fig.3 Single-phase hydraulic characteristics: (a) pressurization and efficiency curve with liquid flow rate; (b) dimensionless head coefficient curve with flow rate

(1)

式中，

為三級(jí)混流式混輸泵總增壓；

為液相體積流量；

為扭矩；

為轉(zhuǎn)速。為了驗(yàn)證泵設(shè)計(jì)方法的正確性，計(jì)算得到揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化曲線，如圖3(b)所示。單相條件下，泵在不同轉(zhuǎn)速下的無量綱揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化曲線高度重合，表明單相增壓具有相似性^[29-30]。在單相流量-效率曲線中，效率達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量定義為最佳效率點(diǎn)流量，記作Q_BEP。本研究通過對(duì)獲得的單相流量-效率曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行插值、擬合及求導(dǎo)處理，確定了混輸泵在1500、2000、2500、3000、3500 r/min轉(zhuǎn)速下的Q_BEP，分別為40、55、70、80和95 m3/h。

流量系數(shù)與揚(yáng)程系數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

(2)

(3)

式中，

為角速度；

為水力直徑。

2.2 氣液兩相surging test

surging test用于界定三級(jí)混流式混輸泵在氣液兩相條件下的穩(wěn)定操作范圍，有助于改善泵的運(yùn)行參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命。圖4展示了在入口壓力為200 kPa條件下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)泵的氣液兩相增壓性能隨入口含氣率的變化。由式（4）計(jì)算的入口含氣率數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)液相流量固定時(shí)，隨著入口含氣率的提升，泵的性能顯著惡化，表現(xiàn)為增壓曲線的陡降。此時(shí)的入口含氣率，即泵增壓能力急劇下降的點(diǎn)，被定義為臨界含氣率。液相流量增加時(shí)，臨界含氣率降低。這是因?yàn)檩^高的液相流量導(dǎo)致流體速度增加，易于在葉片區(qū)域產(chǎn)生流動(dòng)分離，從而降低泵的增壓效果。同時(shí)，氣體壓縮程度減少，降低了氣體的跟隨性。

圖4 Surging test氣液兩相增壓特性Fig.4 Surging test gas-liquid two-phase pressurization characteristics

(4)

式中，

為氣相體積流量。當(dāng)液相流量較小時(shí)，可以看到增壓曲線呈現(xiàn)波紋狀下降趨勢(shì)。隨著液相流量的增加，泵的增壓性能逐漸減弱，因而葉輪內(nèi)氣體的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)上升，增壓曲線失去了原本的波紋狀特征。當(dāng)液相流量進(jìn)一步增大，氣體更為迅速地聚集，導(dǎo)致泵的性能進(jìn)一步惡化。

泵的增壓隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。在葉輪內(nèi)部，氣體受到的壓縮程度更加強(qiáng)烈，使得氣體不易發(fā)生聚集，因此臨界含氣率得以提高。surging test中，液相流量一致時(shí)，三級(jí)混流式混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的增壓曲線具有相似的下降趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步分析混輸泵的增壓性能發(fā)生劇烈惡化，即增壓隨入口含氣率變化曲線出現(xiàn)驟降趨勢(shì)的原因，繪制了不同轉(zhuǎn)速下各增壓級(jí)的增壓隨入口含氣率變化曲線，如圖5所示。在三個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，首個(gè)增壓級(jí)的性能皆出現(xiàn)了顯著的惡化，如圖中虛線圓圈所標(biāo)注，這是混輸泵的性能出現(xiàn)嚴(yán)重惡化的主要原因。而當(dāng)液相流量較低時(shí)，第二個(gè)增壓級(jí)的增壓性能僅呈現(xiàn)小幅度驟降，但隨著入口含氣率的繼續(xù)增加，其性能迅速下降。隨著含氣率的提升，這三個(gè)增壓級(jí)的性能依次出現(xiàn)了嚴(yán)重退化，導(dǎo)致了圖4中流量較低時(shí)出現(xiàn)的波紋狀下降趨勢(shì)。當(dāng)液相流量較大時(shí)，下游的兩個(gè)增壓級(jí)幾乎在入口含氣率約為12%時(shí)同時(shí)發(fā)生性能惡化，因而增壓曲線失去了波紋狀下降趨勢(shì)。

圖5 單級(jí)增壓特性Fig.5 Pressurization characteristics of each booster stage

由上文可知，混輸泵內(nèi)氣液兩相流體具有時(shí)空分布的不均勻性和變化的多復(fù)雜性。相較于單相流體，混輸泵在增壓氣液兩相流體過程中的行為規(guī)律和特性表現(xiàn)出顯著差異^[31]。因此，研究混輸泵在氣液兩相條件下的增壓相似性，對(duì)于促進(jìn)多相混輸泵增壓機(jī)制的理解及其設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)程，具有極其關(guān)鍵的作用。類比單相流量系數(shù)與揚(yáng)程系數(shù)，假設(shè)氣液為均質(zhì)流體，定義了兩相條件下的流量系數(shù)與揚(yáng)程系數(shù)，公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中，

與

分別為液相與氣相的密度。由圖4得知，當(dāng)液相流量相同時(shí)，混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的增壓隨入口含氣率變化曲線具有相同下降規(guī)律。圖6展示了不同轉(zhuǎn)速與液相流量下，三級(jí)混流式混輸泵氣液兩相揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化散點(diǎn)圖。由圖可知，液相流量與最佳效率點(diǎn)流量比值保持不變時(shí)，混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的氣液兩相揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化特征一致，具有強(qiáng)相似性。其中，液相流量為最佳效率點(diǎn)流量時(shí)，混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的增壓性能在無量綱流量系數(shù)達(dá)到4.0時(shí)經(jīng)歷了嚴(yán)重惡化，這意味著氣相和液相之間的相互作用力（如曳力、湍流擴(kuò)散等）在不同操作條件下沒有顯著差異。通過氣液兩相揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化的散點(diǎn)圖，可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)不同轉(zhuǎn)速與流量下的混輸泵性能，有助于泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升。

圖6 三級(jí)混流式混輸泵氣液兩相揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of the gas-liquid two-phase head coefficient of the three-stage mixed-flow multiphase pump with the flow coefficient

2.3 氣液兩相mapping test

mapping test繪制了三級(jí)混流式混輸泵在氣液兩相流動(dòng)下的完整性能曲線，可以全面了解泵在不同氣液比、流量和轉(zhuǎn)速下的增壓性能。當(dāng)氣相質(zhì)量流量保持不變時(shí)，三級(jí)混流式混輸泵在不同轉(zhuǎn)速下的氣液兩相增壓隨液相流量變化曲線如圖7所示。當(dāng)Q_a較小時(shí)，泵的增壓隨液相流量變化曲線出現(xiàn)了驟升點(diǎn)。這是由于當(dāng)氣相流量保持不變時(shí)，增加液相流量實(shí)際上等同于減小了入口含氣率。這一變化減輕了葉輪內(nèi)部的氣體積聚，從而消除了泵增壓性能的劇烈惡化現(xiàn)象。這一過程與圖4中泵的增壓隨入口含氣率的減小而增加相對(duì)應(yīng)。雖然混輸泵的增壓性能隨液體流量的增加而降低，但因消除劇烈增壓惡化而提升的增壓幅值大于因增大液相流量而降低的增壓幅值。因此，mapping test圖中，增壓曲線會(huì)出現(xiàn)驟升趨勢(shì)。當(dāng)氣相質(zhì)量流量增大時(shí)，增壓隨液相流量變化曲線的驟升趨勢(shì)消失。這是由于在當(dāng)前氣相質(zhì)量流量下，即使增加液相流量值最大，入口含氣率仍大于臨界含氣率。隨轉(zhuǎn)速增大，泵在較高轉(zhuǎn)速下具有更大增壓能力，氣體具有更強(qiáng)跟隨性，因而增壓隨液相流量變化曲線的驟升點(diǎn)對(duì)應(yīng)液相流量減小。

圖7 Mapping test氣液兩相增壓特性Fig.7 Mapping test gas-liquid two-phase pressurization characteristics

2.4 入口壓力對(duì)混輸泵整體與級(jí)間氣液兩相增壓性能影響

圖8(a)展示了入口壓力為200~800 kPa下，三級(jí)混流式混輸泵的總增壓隨入口含氣率變化曲線。圖8(b)為圖8(a)中臨界含氣率附近曲線的局部放大圖。圖8(c)與圖8(d)分別展示了入口壓力為200 kPa與800 kPa時(shí)，不同氣相流量下泵的總增壓隨液相流量變化曲線。由圖可知，隨著入口壓力從200 kPa增加至300 kPa，泵的臨界含氣率幾乎沒差別。然而，隨著入口壓力進(jìn)一步增大，臨界含氣率顯著增大，有效擴(kuò)大了混輸泵的高增壓性能含氣率區(qū)間。氣體與液體的密度差隨著入口壓力的增大而減小，氣體的跟隨性增強(qiáng)。除此之外，當(dāng)入口壓力增大時(shí)，氣體更易溶于液體中，使得混合物中游離氣體的比例相對(duì)減少，增大了氣體聚集的難度。因此，臨界含氣率隨著入口壓力的增大而增大。泵也隨著入口含氣率進(jìn)一步增大而表現(xiàn)出更強(qiáng)的增壓性能。

圖8 不同入口壓力下三級(jí)混流式混輸泵的總增壓性能曲線Fig.8 Total pressurization performance curves of three-stage mixed-flow multiphase pump under different inlet pressures

正如前文所述，在氣相流量固定時(shí)，液相流量的增加導(dǎo)致入口含氣率逐漸下降，即增壓曲線的驟升現(xiàn)象表明泵性能的劇烈惡化得到改善。換言之，增壓曲線的驟升點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液相流量越小，泵發(fā)生性能劇烈惡化時(shí)對(duì)應(yīng)的入口含氣率越高。如圖8(c)和圖8(d)所示，在相同的氣相流量條件下，混輸泵在800 kPa入口壓力下的增壓曲線驟升點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液相流量更小，這同樣表明提高入口壓力能有效提升泵的臨界含氣率。

混輸泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)具有復(fù)雜性，每個(gè)增壓級(jí)的工作條件有所不同，從而表現(xiàn)出不同的水力特性。通過研究不同增壓級(jí)的性能，有助于混輸泵的葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高泵的效率、可靠性和穩(wěn)定性，減少能耗和維護(hù)成本。圖9(a)、(b)分別展示了三個(gè)增壓級(jí)在不同入口壓力下的增壓隨入口含氣率和液相流量的變化曲線。圖9(a)揭示僅首個(gè)增壓級(jí)經(jīng)歷了顯著的性能退化，且臨界含氣率隨入口壓力升高而增加。在不同入口壓力下，下游兩個(gè)增壓級(jí)的性能隨著入口含氣率增加而迅速下降，尤其是當(dāng)含氣率超過12%時(shí)，第三個(gè)增壓級(jí)的性能急劇下降，如圖中箭頭所示。由圖9(b)中僅首個(gè)增壓級(jí)的性能曲線發(fā)生了明顯的驟升，進(jìn)一步說明多級(jí)混輸泵呈現(xiàn)劇烈惡化趨勢(shì)主要是由第一個(gè)增壓級(jí)引起的。通過對(duì)比得知，泵在更大入口壓力下的性能曲線驟升點(diǎn)對(duì)應(yīng)液相流量更小，表明增壓入口壓力有效緩解了性能的劇烈惡化。

圖9 三個(gè)增壓級(jí)在不同入口壓力與液相流量下的增壓隨入口含氣率變化曲線Fig.9 Pressurization curves of three booster stages with inlet gas volume fraction and liquid phase flow rate under different inlet pressures

3 結(jié) 論

本研究綜合運(yùn)用了surging test和mapping test兩種測(cè)試方法，系統(tǒng)探討了入口含氣率、轉(zhuǎn)速、入口壓力等多個(gè)參數(shù)對(duì)三級(jí)混流式混輸泵增壓性能的影響規(guī)律。深入分析了入口含氣率變化導(dǎo)致增壓驟升現(xiàn)象，以及液相流量變化導(dǎo)致增壓驟降現(xiàn)象的具體原因。同時(shí)，還研究了入口壓力對(duì)混輸泵整體及級(jí)間氣液兩相增壓性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下。

（1）隨著入口含氣率的增大，三個(gè)增壓級(jí)的性能依次出現(xiàn)了嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致了增壓曲線呈現(xiàn)波紋狀下降趨勢(shì)。提高液相流量，下游的兩個(gè)增壓級(jí)幾乎在入口含氣率約為12%時(shí)同時(shí)發(fā)生性能惡化，因而增壓曲線失去了波紋狀下降趨勢(shì)。

（2）在額定轉(zhuǎn)速與最佳效率點(diǎn)流量下，混輸泵的增壓性能在無量綱流量系數(shù)達(dá)到4.0時(shí)經(jīng)歷了嚴(yán)重惡化。進(jìn)一步分析各級(jí)間的增壓性能揭示，多級(jí)混輸泵增壓性能的顯著惡化主要?dú)w因于首個(gè)增壓級(jí)性能的劇烈下滑。

（3）提升液相流量能有效減輕氣體積聚，其對(duì)增壓性能的正面促進(jìn)作用顯著超過了流動(dòng)分離帶來的負(fù)面影響。因此，mapping test中增壓隨液相流量變化曲線呈現(xiàn)出了驟升趨勢(shì)。

（4）增加入口壓力有助于減輕氣團(tuán)聚集對(duì)增壓性能的不利影響，即臨界含氣率隨入口壓力升高而增加。

亮點(diǎn)評(píng)述

多級(jí)混流式混輸泵氣液兩相增壓特性

多級(jí)混流式混輸泵氣液兩相增壓特性

引 言

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)路

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單相水力性能

2.2 氣液兩相surging test

2.3 氣液兩相mapping test

2.4 入口壓力對(duì)混輸泵整體與級(jí)間氣液兩相增壓性能影響

3 結(jié) 論

你知道你的Internet Explorer是過時(shí)了嗎?

引言