一种高温熔盐泵的常温模化测试方法

摘要

本发明提供一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，主要用于常温介质代替高温熔盐进行熔盐泵的外特性和内部流动研究。通过量纲分析得到泵的无量纲数：比扬程、比流量、雷诺数、比功率。在几何相似前提下，保证原型泵和模型泵的雷诺数、比流量和比扬程相等，使得两台泵相似，得到两台泵的转速、直径、流量、扬程之间的关系式。根据所得关系式建立并优选模化测试方案。按照模化测试方案设计的模型泵与原型泵相似，它们具有相同的无量纲性能曲线，根据该曲线可实现原型泵和模型泵之间的性能转换。相似的两台泵其内部速度和压力分布规律相同，大小成比例。

权利要求

1.一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

1)以待测试高温熔盐泵为原型泵，按原型泵尺寸等比例缩放设计出模型泵，模型泵采用常温介质进行模化测试；

2)模型泵和原型泵在几何形状相似的前提下，同时满足雷诺数、比流量和比扬程相等，则两台泵性能相似，并根据如下对应关系，设计模化测试方案：其中，原型泵输送介质的密度为ρp，粘度为μp，转速为np，叶轮直径为Dp；模型泵输送介质的密度为ρm，粘度为μm，转速为nm，叶轮直径为Dm；x为相似系数，取值范围为-1≤x≤1；

3)通过模拟或测试的方法得到模型泵的各性能参数，包括模型泵的扬程Hm、流量Qm、轴功率Pm、效率ηm；

4)根据得到的模型泵的各性能参数，并根据如下对应关系，转换后得到原型泵性能参数；

ηm＝ηp；

其中，原型泵的流量为Qp，扬程为Hp，轴功率为Pp，效率为ηp；模型泵的流量为Qm，扬程为Hm，轴功率为Pm，效率为ηm；该方法还包括对相似系数x在取值范围内取多个值，得到多组模化方案，从中筛选满足以下条件的合理模化方案：模型泵的转速控制在100～6000r/min之间；模型泵的流量应大于1m3/h，扬程应大于0.1m；模型泵的叶轮直径控制在0.1～0.6m之间，根据合理的模化方案进而确定相似系数x值。

2.根据权利要求1所述的模化测试方法，其特征是：所述常温介质为0～35°条件下的水或油。

3.根据权利要求2所述的模化测试方法，其特征是：当直接采用原型泵作为模型泵时，Dp＝Dm；当原型泵叶轮直径在0.1～0.6m范围时，可直接以原型泵作为模型泵进行模化试验。

说明书

一种高温熔盐泵的常温模化测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种熔盐泵的模化测试方法，具体为采用常温的介质(如水)作为试验介质，代替熔盐泵中的高温熔盐进行试验，或采用缩放尺寸后的模型泵代替特大型或微小型的泵进行试验，通过模化测试得到实际泵的性能，该方法主要用于熔盐泵的外特性和内部流动研究。

背景技术

[0002] 熔盐泵是离心泵的一种，用于输送高温熔融的盐，适用于三聚氰胺项目、氧化铝项目、片碱项目等精细化工行业，以及太阳能光热发电中的储能介质输送。在熔盐泵的研发过程中，确定不同工况下的性能是非常重要的。然而，仅靠理论研究来正确预测泵的外特性和其内部流动有相当难度。

[0003] 熔盐泵的外特性(主要包括：扬程、流量、轴功率和效率等)是泵选型的主要依据，直接影响生产过程中的工况参数；熔盐泵的内部流动(主要包括：吸水室、叶轮流道和压水室内的流动)直接影响熔盐泵的外特性，通过改善泵的内部流动状态可以有效提高泵的外特性。

[0004] 泵的外特性测量技术是一门较为成熟的技术。流量可采用标准孔板、标准喷嘴、涡轮流量计等进行测量。采用测压仪表测量泵进出口压力，根据泵进出口压力、进出口高度差和进出口的流速，计算得到泵的扬程。转速的测量可用直接显示的数字仪表测出测量时间内的转数。扭矩可采用天平式测功计或扭矩式测功计进行测量，测量扭矩的同时测定转速，采用扭转力矩法可计算出轴功率。根据泵效率的定义，由上述测量值可计算出泵的效率。

[0005] 离心泵内部流动测量技术主要有非光学测量技术和流动显示技术。非光学测量技术主要包括探针和热线热膜技术，如多孔探针、旋转探针、热线热膜风速仪和涡量探针等，其缺点是探针和热线/热膜的介入均会扰动真实流场，且需配置复杂的遥测技术，将采集信号从转子传递到静止参考系。常见的流动显示技术主要有粒子图像测速技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)和高速摄像技术(HSP)。PIV和LDV可以获得反映流动情况的速度场，但其试验成本和难度远高于HSP。HSP不仅可以获得速度分布情况，而且可以得到流体运动的迹线，直观地再现流体运动的演化情况。近年来还发展了一种内窥高速成像技术，将内窥镜伸入泵内，可以对泵内部的高速流动进行连续拍摄，获得泵内流动的瞬时信息。

[0006] 上述这些测量技术常适用于常温工况下输送水时的泵性能测量。对于输送高温熔盐的泵，由于高温的影响，试验难度大大增加，受测量设备的限制，很难获得其准确的性能。目前，对于熔盐泵，通常直接以水作为试验介质时的性能近似作为输送高温熔盐时的性能；
对于某些特大型或微小型的泵，受试验装置测量范围的限制，往往难以开展相关试验。

发明内容

[0007] 为了解决目前高温熔盐泵、特大型或微小型泵性能难以准确测量的问题，本发明提供一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，采用该方法不仅能测量熔盐泵输送高温介质时的性能，而且能准确地测量特大型或微小型泵的性能。

[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0009] 一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，该方法包括以下步骤：

[0010] 1)以待测试高温熔盐泵为原型泵，按原型泵尺寸等比例缩放设计出模型泵，模型泵采用常温介质进行模化测试；

[0011] 2)模型泵和原型泵在几何形状相似的前提下，同时满足雷诺数、比流量和比扬程相等，则两台泵性能相似，并根据如下对应关系，设计模化测试方案：

[0012]

[0013] 其中，原型泵输送介质的密度为ρp，粘度为μp，转速为np，叶轮直径为Dp；模型泵输送介质的密度为ρm，粘度为μm，转速为nm，叶轮直径为Dm；x为相似系数，取值范围为-1≤x≤1；

[0014] 3)通过模拟或测试的方法得到模型泵的各性能参数，包括模型泵的扬程Hm、流量Qm、轴功率Pm、效率ηm；

[0015] 4)根据得到的模型泵的各性能参数，并根据如下对应关系，转换后得到原型泵性能参数；

[0016] ηm＝ηp；

[0017] 其中，原型泵的流量为Qp，扬程为Hp，轴功率为Pp，效率为ηp；模型泵的流量为Qm，扬程为Hm，轴功率为Pm，效率为ηm。

[0018] 本发明的进一步设计在于：

[0019] 该方法还包括对相似系数x在取值范围内取多个值，得到多组模化方案，从中筛选满足以下条件的合理模化方案：模型泵的转速控制在100～6000r/min之间；模型泵的流量3
应大于1m/h，扬程应大于0.1m；模型泵的叶轮直径控制在0.1～0.6m之间，根据合理的模化方案进而确定相似系数x值。

[0020] 所述常温介质为0～35°条件下的水或油。

[0021] 当直接采用原型泵作为模型泵时，Dp＝Dm；当原型泵叶轮直径在0.1～0.6m范围时，可直接以原型泵作为模型泵进行模化试验。这种情况下设计模型泵尺寸就不需要缩放。

[0022] 本发明的设计原理如下：

[0023] 本发明提供一种高温熔盐泵的常温模化测试方法，主要用于常温介质代替高温熔盐进行熔盐泵的外特性和内部流动研究。通过量纲分析得到泵的无量纲数：比扬程、比流量、雷诺数、比功率。在几何相似前提下，保证原型泵和模型泵的雷诺数、比流量和比扬程相等，使得两台泵相似，得到两台泵的转速、直径、流量、扬程之间的关系式。根据所得关系式建立并优选模化测试方案。按照模化测试方案设计的模型泵与原型泵相似，它们具有相同的无量纲性能曲线，根据该曲线可实现原型泵和模型泵之间的性能转换。相似的两台泵其内部速度和压力分布规律相同，大小成比例。

[0024] 泵内流动所涉及到的物理参数包括：比能量gH、泵效率η、体积流量Q、转速n、流体密度ρ、流体粘度μ、叶轮直径D。根据π定理，该问题可以用以下数学公式进行描述，[0025] f1(gH,Q,D,n,ρ,μ)＝0  (1)

[0026] 上式中因涉及到3个基本量纲：质量M、长度L、时间T，故可得

[0027] f2(π1,π2,π3)＝0  (2)

[0028] 选取D、n、ρ作为基本物理参数，则有

[0029]

[0030]

[0031]

[0032] 根据量纲和谐原理，则

[0033]

[0034] 上式为泵的比扬程，用符号ψ表示。

[0035]

[0036] 上式为泵的比流量，用符号φ表示。

[0037]

[0038] 上式为泵的雷诺数的倒数。将上式进行变换可得泵的雷诺数。

[0039]

[0040] 通过对上述无量纲变量的操作，还可以获得以下有用的无量纲数。

[0041]

[0042] 上式为泵的比功率，P为泵的轴功率。

[0043] 熔盐泵输送的介质为高温熔盐，由于温度太高，直接采用高温熔盐作为介质进行试验难度很大，为此考虑采用常温水(或油，如柴油)作为介质代替高温熔盐进行试验。熔盐的密度和粘度与水相比均不相同，要想试验结果能够换算成输送熔盐时的泵性能，必须进行模化测试设计，使得模型泵和原型泵满足相似。

[0044] 根据上述离心泵的无量纲特性可知，在几何相似前提下，只要同时保证模型泵和原型泵的雷诺数 比流量 和比扬程 相等，则两台泵相似，两台泵的所有无量纲数都相等，即，Recm＝Recp，φm＝φp，ψm＝ψp，Nem＝Nep，ηm＝ηp。假设：原型泵输送介质的密度为ρp，粘度为μp，模型泵输送介质的密度为ρm，粘度为μm。要保证原型泵的雷诺数Recp等于模型泵的雷诺数Recm，则原型泵和模型泵的转速和直径必须满足如下关系：

[0045]

[0046]

[0047] 要保证原型泵的比流量φp等于模型泵的比流量φm，则原型泵和模型泵的流量必须满足如下关系：

[0048]

[0049] 要保证原型泵的比扬程ψp等于模型泵的比扬程ψm，则原型泵和模型泵的扬程必须满足如下关系：

[0050]

[0051] 要保证原型泵的比功率Nep等于模型泵的比功率Nem，则原型泵和模型泵的功率必须满足如下关系：

[0052]

[0053] 式中：

[0054] x——相似系数，取不同的值可以得到不同的模化方案。

[0055] 只有转速、直径、流量、扬程和轴功率同时满足上述5个公式，原型泵和模型泵才相似。对于几何相似的两台泵，通过调节转速和流量，可以同时满足式(11)～(13)，但问题的关键是，在这样的工况下，扬程是否满足式(14)。如果满足，则表明原型泵和模型泵相似，通过模型泵测得的性能可以转换成原型泵的性能。

[0056] 原型泵输送的熔盐物性如表1所列，转速n＝1450r/min，叶轮直径D＝250mm，流量Q＝25m3/h。采用水代替熔盐进行试验，根据式(11)～(14)，编制的模化方案如表2所列，限于篇幅，水代替其他熔盐时的模化方案省略。

[0057] 表1泵送介质物性

[0058]

[0059] 表2水代替熔盐#1时的模化方案

[0060]

[0061] 由表中的模化方案可以发现：x取不同值时可以获得不同的模化方案，也就是说，用水代替熔盐作为试验介质时，可以通过改变泵的转速、流量和几何尺寸进行模化测试，存在多种模化方案。当x取-1时，模型泵与原型泵的流量相同；当x取0时，模型泵与原型泵的尺寸相同；当x取1/2时，模型泵与原型泵的转速相同；当x取1时，模型泵与原型泵的扬程相同。

[0062] 当用水代替粘度很高的介质进行模化测试的时候，转速、几何尺寸、流量和扬程等参数很难同时达到合理的值(这里的合理值指的是与原型泵的相关参数相比相差不大)。有些方案中的数值仅具有理论意义，而在工程上很难实现，如：用水代替熔盐#5进行模化测试，当x取-1时，模型泵与原型泵的流量相同，但模型泵的扬程仅为原型泵扬程的6.1207×10-10倍，这在工程上几乎无法测得。

[0063] 当转速选取为合理值时，几何尺寸、流量和扬程均较小；当几何尺寸选取合理值时，转速、流量和扬程均较小；当流量选取合理值时，转速和扬程很小，几何尺寸很大；当扬程选取合理值时，转速很大，几何尺寸和流量很小。上述4种情况如表3所列。

[0064] 表3模化方案比较

[0065]模化方案 转速 几何尺寸 流量 扬程
1 合理 较小 较小 较小
2 较小 合理 较小 较小
3 很小 很大 合理 很小
4 很大 很小 很小 合理

[0066] 在诸多模化方案中选择最优方案时，应考虑转速、几何尺寸、流量和扬程等综合因素，以便实验能够顺利开展。转速的大小应该根据电机的能力来确定，一般转速控制在100～6000r/min；流量和扬程不宜太小，若太小可能会影响测量的精度，一般流量大于1m3/h为宜，扬程大于0.1m为宜；模型的尺寸不宜太小，如果太小在试验中模型表面粗糙度的影响可能会很大，尺寸也不宜太大，太大会给模型泵的加工带来困难，也会提高试验台架的要求，一般模型泵的叶轮直径在0.1～0.6m范围内为宜。制定模化方案时，应尽量控制转速、几何尺寸、流量和扬程等参数在推荐的范围之内，进而确定x值。当存在多组合理的模化方案时，可从中任选一组。

[0067] 本发明的有益效果是：

[0068] (1)不受工作温度的影响。采用本发明所提供的方法，可以避开高温，采用常温介质进行试验，将测得的模型泵的性能转换成原型泵的性能。

[0069] (2)不受介质物性的影响。原型泵输送的是高粘度、高密度的介质，无论输送何种物性的介质，采用本发明的方法进行模化测试时，均可以采用容易获得的廉价的水或油代替该介质进行试验。

[0070] (3)不受结构尺寸的影响。对于某些特大型的泵，若要进行试验，需配置大型的电机、大量程的测量仪表；而对于某些微小型的泵，由于其性能数值较小，需采用量程小、精度高的仪表进行测量。一般情况下，一套试验装置很难用于多种型号泵性能测量。同时，对于特大型和微小型的泵，其内部流动的测量难度也较大。采用本发明的方法，则可以避开泵结构尺寸的影响，通过几何相似，将泵缩放至容易试验的尺寸。

附图说明

[0071] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0072] 图1为熔盐泵几何模型。

[0073] 图2为扬程-流量性能曲线。

[0074] 图3为轴功率-流量性能曲线。

[0075] 图4为效率-流量性能曲线。

[0076] 图5为比扬程-比流量性能曲线。

[0077] 图6为比功率-比流量性能曲线。

[0078] 图7为效率-比流量性能曲线。

[0079] 图8-1至图8-7为各种模化方案下模型泵内部速度分布(m/s)。

[0080] 图9-1至图9-6为各种模化方案下模型泵内部压力分布(Pa)。

具体实施方式

[0081] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：

[0082] 实施例一：

[0083] 为方便起见，采用数值模拟代替实验说明本发明所提的模化测试方法。采用Pro-e软件进行几何建模，并采用Gambit软件进行网格划分，几何模型如图1所示。原型泵主要结构参数和性能参数如表4所列。模型泵介质采用常温条件(20℃)的水；采用Fluent软件对泵输送熔盐#1时的流动进行数值模拟。

[0084] 表4熔盐泵的主要结构参数和设计工况参数

[0085]

[0086]

[0087] 在所有模化方案中选取工程上相对可行的几种方案(分别取x＝-1/6，0，1/6，1/3，1/2，2/3)进行数值模拟，以验证所提模化测试方法的正确性。模拟结果见表5。

[0088] 表5水代替熔盐#1时的模化结果

[0089]

[0090] 注：表中第一行数据为原型泵数值模拟结果，其他数据为采用水作为介质不同模化方案下的数值模拟结果。

[0091] 由表中数据可见，数值计算所得的模拟扬程比与根据模化测试方法所得的理论扬程比几乎完全一致，各种相似工况下的模型泵的效率与原型泵的效率几乎完全相同，表明所提模化测试方法是正确的。完全可以通过采用水作为试验介质来代替高粘度的熔盐进行模化测试。

[0092] (1)原型泵与模型泵性能曲线分析

[0093] 根据模化测试方法，采用水作为试验介质，对输送介质密度ρp＝1938kg/m3，粘度μp＝0.00729Pa·s，转速np＝1450r/min，叶轮直径Dp＝250mm的原型泵进行模化测试。

[0094] 综合考虑转速、几何尺寸、流量和扬程等参数范围，选取x＝0，根据如下公式：

[0095]

[0096] 得到模型泵的转速nm＝386.2r/min，叶轮直径Dm＝250mm。

[0097] 在不同的流量工况下，对模型泵进行数值模拟(也可以采是常规测试方法得到模型泵各参数值)，计算模型泵的扬程、轴功率和效率。

[0098] 扬程H可用如下公式表示计算

[0099]

[0100] 式中：{pt}in、{pt}out为泵进、出口截面上的总压，对计算结果进行后处理可得该值。

[0101] 轴功率P可用如下公式计算

[0102] P＝Mω  (17)

[0103] 式中：M为作用在叶轮上的力矩，对计算结果进行后处理可得该值；ω为离心泵的转动角速度，数值计算过程中设置为边界条件。

[0104] 效率η可由扬程H和力矩M计算得到，其计算公式为

[0105]

[0106] 式中：ρ为输送介质的密度；g为重力加速度；Q为离心泵的流量，数值计算过程中设置为边界条件。

[0107] 根据上述公式计算得到H-Q、P-Q、η-Q曲线，如图2～图4中所示的模型泵性能曲线。根据下列公式(式中x同样取为0)：

[0108] ηm＝ηp

[0109] 将模型泵的性能曲线转换成原型泵的性能曲线，如图2～图4中所示的原型泵性能曲线。

[0110] 将图2～图4中的流量、扬程和轴功率全部转换成无量纲的比流量、比扬程和比功率，重新绘制原型泵和模型泵的无量纲性能曲线，如图5～图7所示。由图可见，模型泵和原型泵的无量纲性能曲线完全重合，表明，根据模化测试方法设计的一系列泵的无量纲性能曲线均可用同样的无量纲性能曲线来表示，通过模型泵试验得到的性能可以转换成原型泵的性能。

[0111] 对上述三种无量纲性能曲线进行拟合，得：

[0112] 比扬程和比流量的关系式：

[0113] ψ＝0.00165+3.00031×10-4φ-4.18269×10-4φ2+5.95276×10-5φ3  (19)[0114] 比功率和比流量的关系式：

[0115] Ne＝3.47999×10-7+9.83087×10-8φ+2.41437×10-7φ2-8.06603×10-8φ3  (20)

[0116] 效率和比流量的关系式：

[0117] η＝-0.3662+146.34φ-89.391φ2+16.592φ3  (21)

[0118] 一系列相似泵的无量纲性能曲线可用上述三个公式进行表达。

[0119] (2)原型泵与模型泵内部流动分析

[0120] 采用水作为试验介质代替粘度为0.00729Pa·s的熔盐进行模化测试，对表5中各合理模化方案下的泵内部流动进行数值模拟。图8-1至图8-7显示了各种合理模化方案下模型泵内部的速度分布，图中将模型泵尺寸调整为同等大小，色标调整为全值域显示。其中，图8-1为原型泵内部的速度分布，对应叶轮Dp＝250.0mm；图8-2对应叶轮Dm＝311.7mm；图8-3对应叶轮Dm＝250.0mm；图8-4对应叶轮Dm＝200.5mm；图8-5对应叶轮Dm＝160.8mm；图8-6对应叶轮Dm＝129.0mm；图8-7对应叶轮Dm＝103.5mm。由图可见，相似的泵其内部速度分布规律相同，速度大小成比例，随着模型泵尺寸的减小，绝对速度增大。

[0121] 图9-1至图9-6显示了各合理种模化方案下模型泵内部的压力分布，图中将模型泵尺寸按比例显示，压力在相同的色标下显示。由图可见，相似的泵内的压力随着模型泵尺寸的减小而增大，压力大小成比例。图9-1对应叶轮Dm＝311.7mm；图9-2对应叶轮Dm＝250.0mm；图9-3对应叶轮Dm＝200.5mm；图9-4对应叶轮Dm＝160.8mm；图9-5对应叶轮Dm＝129.0mm；图
9-6对应叶轮Dm＝103.5mm。如果将各模型泵的压力色标调整为全值域显示，和速度分布一样，相似的泵其内部压力分布规律相同。