一種高溫熔鹽泵的常溫模化測試方法
【專利摘要】本發明提供一種高溫熔鹽泵的常溫模化測試方法，主要用于常溫介質代替高溫熔鹽進行熔鹽泵的外特性和內部流動研究。通過量綱分析得到泵的無量綱數：比揚程、比流量、雷諾數、比功率。在幾何相似前提下，保證原型泵和模型泵的雷諾數、比流量和比揚程相等，使得兩臺泵相似，得到兩臺泵的轉速、直徑、流量、揚程之間的關系式。根據所得關系式建立并優選模化測試方案。按照模化測試方案設計的模型泵與原型泵相似，它們具有相同的無量綱性能曲線，根據該曲線可實現原型泵和模型泵之間的性能轉換。相似的兩臺泵其內部速度和壓力分布規律相同，大小成比例。
【專利說明】
-種高溫膝鹽累的常溫模化測試方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種烙鹽累的模化測試方法，具體為采用常溫的介質（如水)作為試驗 介質，代替烙鹽累中的高溫烙鹽進行試驗，或采用縮放尺寸后的模型累代替特大型或微小 型的累進行試驗，通過模化測試得到實際累的性能，該方法主要用于烙鹽累的外特性和內 部流動研究。
【背景技術】
[0002] 烙鹽累是離屯、累的一種，用于輸送高溫烙融的鹽，適用于=聚氯胺項目、氧化侶項 目、片堿項目等精細化工行業，W及太陽能光熱發電中的儲能介質輸送。在烙鹽累的研發過 程中，確定不同工況下的性能是非常重要的。然而，僅靠理論研究來正確預測累的外特性和 其內部流動有相當難度。
[0003] 烙鹽累的外特性(主要包括:揚程、流量、軸功率和效率等）是累選型的主要依據， 直接影響生產過程中的工況參數;烙鹽累的內部流動（主要包括:吸水室、葉輪流道和壓水 室內的流動)直接影響烙鹽累的外特性，通過改善累的內部流動狀態可W有效提高累的外 特性。
[0004] 累的外特性測量技術是一口較為成熟的技術。流量可采用標準孔板、標準噴嘴、滿 輪流量計等進行測量。采用測壓儀表測量累進出口壓力，根據累進出口壓力、進出口高度差 和進出口的流速，計算得到累的揚程。轉速的測量可用直接顯示的數字儀表測出測量時間 內的轉數。扭矩可采用天平式測功計或扭矩式測功計進行測量，測量扭矩的同時測定轉速， 采用扭轉力矩法可計算出軸功率。根據累效率的定義，由上述測量值可計算出累的效率。
[0005] 離屯、累內部流動測量技術主要有非光學測量技術和流動顯示技術。非光學測量技 術主要包括探針和熱線熱膜技術，如多孔探針、旋轉探針、熱線熱膜風速儀和滿量探針等， 其缺點是探針和熱線/熱膜的介入均會擾動真實流場，且需配置復雜的遙測技術，將采集信 號從轉子傳遞到靜止參考系。常見的流動顯示技術主要有粒子圖像測速技術(PIV)、激光多 普勒測速技術化DV)和高速攝像技術化SPKPIV和LDV可W獲得反映流動情況的速度場，但 其試驗成本和難度遠高于HSPdHSP不僅可W獲得速度分布情況，而且可W得到流體運動的 跡線，直觀地再現流體運動的演化情況。近年來還發展了一種內窺高速成像技術，將內窺鏡 伸入累內，可W對累內部的高速流動進行連續拍攝，獲得累內流動的瞬時信息。
[0006] 上述運些測量技術常適用于常溫工況下輸送水時的累性能測量。對于輸送高溫烙 鹽的累，由于高溫的影響，試驗難度大大增加，受測量設備的限制，很難獲得其準確的性能。 目前，對于烙鹽累，通常直接W水作為試驗介質時的性能近似作為輸送高溫烙鹽時的性能； 對于某些特大型或微小型的累，受試驗裝置測量范圍的限制，往往難W開展相關試驗。

【發明內容】

[0007] 為了解決目前高溫烙鹽累、特大型或微小型累性能難W準確測量的問題，本發明 提供一種高溫烙鹽累的常溫模化測試方法，采用該方法不僅能測量烙鹽累輸送高溫介質時 的性能，而且能準確地測量特大型或微小型累的性能。
[0008] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0009] -種高溫烙鹽累的常溫模化測試方法，該方法包括W下步驟：
[0010] 1) W待測試高溫烙鹽累為原型累，按原型累尺寸等比例縮放設計出模型累，模型 累采用常溫介質進行模化測試；
[0011] 2)模型累和原型累在幾何形狀相似的前提下，同時滿足雷諾數、比流量和比揚程 相等，則兩臺累性能相似，并根據如下對應關系，設計模化測試方案：
[0012]
[0013] 其中，原型累輸送介質的密度為化，粘度為叫，轉速為np，葉輪直徑為Dp;模型累輸 送介質的密度為Pm,粘度為山1，轉速為nm，葉輪直徑為Dm; X為相似系數，取值范圍為 1;
[0014] 3)通過模擬或測試的方法得到模型累的各性能參數，包括模型累的揚程Hm、流量 Qm、軸功率Pm、效率rim;
[001引 4)根據得到的模型累的各性能參數，并根據如下對應關系，轉換后得到原型累性 能參數；
[0016]
Hm = Hp ；
[001 7]其中，原型累的流量為Qp，揚程為Hp，軸功率為Pp，效率為Ilp ;模型累的流量為Qm，揚 程為Hm,軸功率為Pm,效率為IW [001引本發明的進一步設計在于：
[0019] 該方法還包括對相似系數X在取值范圍內取多個值，得到多組模化方案，從中篩選 滿足W下條件的合理模化方案:模型累的轉速控制在100~6000r/min之間；模型累的流量 應大于Im3A，揚程應大于0.1 m;模型累的葉輪直徑控制在0.1~0.6m之間，根據合理的模化 方案進而確定相似系數X值。
[0020] 所述常溫介質為0~35°條件下的水或油。
[0021] 當直接采用原型累作為模型累時，Dp = Dm;當原型累葉輪直徑在0.1~0.6m范圍時， 可直接W原型累作為模型累進行模化試驗。運種情況下設計模型累尺寸就不需要縮放。
[0022] 本發明的設計原理如下：
[0023] 本發明提供一種高溫烙鹽累的常溫模化測試方法，主要用于常溫介質代替高溫烙 鹽進行烙鹽累的外特性和內部流動研究。通過量綱分析得到累的無量綱數：比揚程、比流 量、雷諾數、比功率。在幾何相似前提下，保證原型累和模型累的雷諾數、比流量和比揚程相 等，使得兩臺累相似，得到兩臺累的轉速、直徑、流量、揚程之間的關系式。根據所得關系式 建立并優選模化測試方案。按照模化測試方案設計的模型累與原型累相似，它們具有相同 的無量綱性能曲線，根據該曲線可實現原型累和模型累之間的性能轉換。相似的兩臺累其 內部速度和壓力分布規律相同，大小成比例。
[0024]累內流動所設及到的物理參數包括：比能量gH、累效率n、體積流量Q、轉速n、流體 密度P、流體粘度y、葉輪直徑D。根據定理，該問題可W用W下數學公式進行描述，
[00 巧]fi(巧，Q，D，n，P，y)=0 (1)
[0026] 上式中因設及到3個基本量綱:質量M、長度L、時間T，故可得
[0027] f2(jTl,Jl2,313)=0 (2)
[0028] 選取D、n、P作為基本物理參數，則有
[0029] (3)
[0030] (4)
[0031] (5)
[0032] 庶巧縣娜麻墜居舟Ulll
[0033] (6)
[0034] b 表示。
[0035] (7)
[0036] d)表示。
[0037] (8)
[0038] 將上式進行變換可得累的雷諾數。
[0039] - ' (：9)[0040] 通討對h冰無量綱巧量的操化，還可Pi巧得Pi下有用的無量綱數。
[0041] (IO)
[0042] 上式為累的比功率，P為累的軸功率。
[0043] 烙鹽累輸送的介質為高溫烙鹽，由于溫度太高，直接采用高溫烙鹽作為介質進行 試驗難度很大，為此考慮采用常溫水(或油，如柴油)作為介質代替高溫烙鹽進行試驗。烙鹽 的密度和粘度與水相比均不相同，要想試驗結果能夠換算成輸送烙鹽時的累性能，必須進 行模化測試設計，使得模型累和原型累滿足相似。
[0044] 根據上述離屯、累的無量綱特忡而細.#n,伉相仙前搖下，只要同時保證模型累和 原型累的雷諾1
比流量
相等，則兩臺累相似，兩臺 累的所有無量綱數都相等，即，Recm=Recp, <K= 4p，ilV = 4p，Nem =化p，nm=%。假設：原型累 輸送介質的密度為化，粘度為叫，模型累輸送介質的密度為Pm,粘度為iim。要保證原型累的雷 諾數Reep等于模型累的雷諾數Re?,則原型累和模型累的轉速和直徑必須滿足如下關系：
[0045]
(11)
[0046] (12)
[0047] 等于模型累的比流量4m，則原型累和模型累的流量必 須滿足
[004引 (13)
[0049] ^于模型累的比揚程禮，則原型累和模型累的揚程必須 滿足如
[(K)加 ] (14)
[0051] 等于模型累的比功率化m，則原型累和模型累的功率必 須滿足
[0化2] (15)
[0053] 式中；
[0054] X一一相似系數，取不同的值可W得到不同的模化方案。
[0055] 只有轉速、直徑、流量、揚程和軸功率同時滿足上述5個公式，原型累和模型累才相 似。對于幾何相似的兩臺累，通過調節轉速和流量，可W同時滿足式（11)~（13)，但問題的 關鍵是，在運樣的工況下，揚程是否滿足式（14)。如果滿足，則表明原型累和模型累相似，通 過模型累測得的性能可W轉換成原型累的性能。
[0056] 原型累輸送的烙鹽物性如表1所列，轉速n=1450r/min，葉輪直徑D = 250mm，流量Q = 25m3A。采用水代替烙鹽進行試驗，根據式（11)~（14)，編制的模化方案如表2所列，限于 篇幅，水代替其他烙鹽時的模化方案省略。
[0057] 表1累送介質物性
[0化引
[0059] 親2水化替烙鹽#1時的橫化方塞
[0060]
[0061] 由表中的模化方案可W發現:x取不同值時可W獲得不同的模化方案，也就是說， 用水代替烙鹽作為試驗介質時，可W通過改變累的轉速、流量和幾何尺寸進行模化測試，存 在多種模化方案。當X取-1時，模型累與原型累的流量相同；當X取加寸，模型累與原型累的尺 寸相同；當X取1/2時，模型累與原型累的轉速相同；當X取1時，模型累與原型累的揚程相同。
[0062] 當用水代替粘度很高的介質進行模化測試的時候，轉速、幾何尺寸、流量和揚程等 參數很難同時達到合理的值(運里的合理值指的是與原型累的相關參數相比相差不大）。有 些方案中的數值僅具有理論意義，而在工程上很難實現，如：用水代替烙鹽#5進行模化測 試，當X取-1時，模型累與原型累的流量相同，但模型累的揚程僅為原型累揚程的6.1207X 1 倍，運在工程上幾乎無法測得。
[0063] 當轉速選取為合理值時，幾何尺寸、流量和揚程均較小；當幾何尺寸選取合理值 時，轉速、流量和揚程均較小；當流量選取合理值時，轉速和揚程很小，幾何尺寸很大；當揚 程選取合理值時，轉速很大，幾何尺寸和流量很小。上述4種情況如表3所列。
[0064] 表3模化方案比較
[00 化]
素，W便實驗能夠順利開展。轉速的大小應該根據電機的能力來確定，一般轉速控制在100 ~eOOOr/min;流量和揚程不宜太小，若太小可能會影響測量的精度，一般流量大于Im3/]!為 宜，揚程大于0.1 m為宜;模型的尺寸不宜太小，如果太小在試驗中模型表面粗糖度的影響可 能會很大，尺寸也不宜太大，太大會給模型累的加工帶來困難，也會提高試驗臺架的要求， 一般模型累的葉輪直徑在0.1~0.6m范圍內為宜。制定模化方案時，應盡量控制轉速、幾何 尺寸、流量和揚程等參數在推薦的范圍之內，進而確定X值。當存在多組合理的模化方案時， 可從中任選一組。
[0067] 本發明的有益效果是：
[0068] (1)不受工作溫度的影響。采用本發明所提供的方法，可W避開高溫，采用常溫介 質進行試驗，將測得的模型累的性能轉換成原型累的性能。
[0069] (2)不受介質物性的影響。原型累輸送的是高粘度、高密度的介質，無論輸送何種 物性的介質，采用本發明的方法進行模化測試時，均可W采用容易獲得的廉價的水或油代 替該介質進行試驗。
[0070] (3)不受結構尺寸的影響。對于某些特大型的累，若要進行試驗，需配置大型的電 機、大量程的測量儀表;而對于某些微小型的累，由于其性能數值較小，需采用量程小、精度 高的儀表進行測量。一般情況下，一套試驗裝置很難用于多種型號累性能測量。同時，對于 特大型和微小型的累，其內部流動的測量難度也較大。采用本發明的方法，則可W避開累結 構尺寸的影響，通過幾何相似，將累縮放至容易試驗的尺寸。
【附圖說明】
[0071] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0072] 圖1為烙鹽累幾何模型。
[007引圖2為揚程-流量性能曲線。
[0074] 圖3為軸功率-流量性能曲線。
[0075] 圖4為效率-流量性能曲線。
[0076] 圖5為比揚程-比流量性能曲線。
[0077] 圖6為比功率-比流量性能曲線。
[007引圖7為效率-比流量性能曲線。
[0079] 圖8-1至圖8-7為各種模化方案下模型累內部速度分布(m/s)。
[0080] 圖9-1至圖9-6為各種模化方案下模型累內部壓力分布(Pa)。
【具體實施方式】
[0081] 下面結合附圖對本發明作進一步的描述：
[00劇實施例一.
[0083] 為方便起見，采用數值模擬代替實驗說明本發明所提的模化測試方法。采用Pro-e 軟件進行幾何建模，并采用Gambit軟件進行網格劃分，幾何模型如圖1所示。原型累主要結 構參數和性能參數如表4所列。模型累介質采用常溫條件(20°C)的水;采用Fluent軟件對累 輸送烙鹽#1時的流動進行數值模擬。
[0084] 表4烙鹽累的主要結構參數和設計工況參數
[0085]
[i
[0087] 在所有模化方案中選取工程上相對可行的幾種方案(分別取x = -l/6,0，l/6，l/3， 1/2,2/3)進行數值模擬，W驗證所提模化測試方法的正確性。模擬結果見表5。
[0088] 表5水代替烙鹽#1時的模化結果 [00891
[0090] 注:表中第一行數據為原型累數值模擬結果，其他數據為采用水作為介質不同模 化方案下的數值模擬結果。
[0091] 由表中數據可見，數值計算所得的模擬揚程比與根據模化測試方法所得的理論揚 程比幾乎完全一致，各種相似工況下的模型累的效率與原型累的效率幾乎完全相同，表明 所提模化測試方法是正確的。完全可W通過采用水作為試驗介質來代替高粘度的烙鹽進行 模化測試。
[0092] (1)原型累與模型累性能曲線分析
[0093] 根據模化測試方法，采用水作為試驗介質，對輸送介質密度化=1938kg/m3,粘度叫 = 0.00729Pa ? S，轉速np=1450r/min，葉輪直徑Dp = 250mm的原型累進行模化測試。
[0094] 綜合考慮轉速、幾何尺寸、流量和揚程等參數范圍，選取X = O,根據如下公式：
[0095]
[0096] 得到模型累的轉速nm=386.化/min,葉輪直徑Dm=250mm。
[0097] 在不同的流量工況下，對模型累進行數值模擬(也可W采是常規測試方法得到模 型累各參數值），計算模型累的揚程、軸功率和效率。
[0098] 揚程H可用如下公式表示計算
[0099] (16)
[0100] 式中：{pt}in、{pt}nut為累進、出口截面上的總壓，對計算結果進行后處理可得該 值。
[0101] 軸功率P可用如下公式計算
[0102] P=Mco (17)
[0103] 式中：M為作用在葉輪上的力矩，對計算結果進行后處理可得該值；CO為離屯、累的 轉動角速度，數值計算過程中設置為邊界條件。
[0104] 效率n可由揚程H和力矩M計算得到，其計算公式為
[0105] (18)
[0106] 式中：P為輸送介質的密度;g為重力加速度;Q為離屯、累的流量，數值計算過程中設 置為邊界條件。
[0107] 根據上述公式計算得到H-Q、P-Q、ri-Q曲線，如圖2~圖4中所示的模型累性能曲線。 根據下列公式(式中X同樣取為0):
[010 引
= Hp
[0109] 將模型累的性能曲線轉換成原型累的性能曲線，如圖2~圖4中所示的原型累性能 曲線。
[0110] 將圖2~圖4中的流量、揚程和軸功率全部轉換成無量綱的比流量、比揚程和比功 率，重新繪制原型累和模型累的無量綱性能曲線，如圖5~圖7所示。由圖可見，模型累和原 型累的無量綱性能曲線完全重合，表明，根據模化測試方法設計的一系列累的無量綱性能 曲線均可用同樣的無量綱性能曲線來表示，通過模型累試驗得到的性能可W轉換成原型累 的性能。
[0111] 對上述S種無量綱性能曲線進行擬合，得：
[0112] 比揚程和比流量的關系式：
[0113] (6 = 0.00165+3.00031 X 1〇-4 (1) -4.18269 X 1〇-4 4 2+5.95276 X 10-已(1) 3 Qg)
[0114] 比功率和比流量的關系式：
[0115] 化=3.47999 X 10-7+9.83087 X 1〇-8 (1)巧.41437 X 1〇-7 (1) 2-8.06603 X 1〇-8 (1) 3 (2〇)
[0116] 效率和比流量的關系式：
[0117] n = -〇.366化 146.:34 4-89.391 (62+16.592 (63 間）
[011引一系列相似累的無量綱性能曲線可用上述S個公式進行表達。
[0119] (2)原型累與模型累內部流動分析
[0120] 采用水作為試驗介質代替粘度為0.00729Pa ? S的烙鹽進行模化測試，對表5中各 合理模化方案下的累內部流動進行數值模擬。圖8-1至圖8-7顯示了各種合理模化方案下模 型累內部的速度分布，圖中將模型累尺寸調整為同等大小，色標調整為全值域顯示。其中， 圖8-1為原型累內部的速度分布，對應葉輪Dp = 250.Omm;圖8-2對應葉輪Dm=311.7mm;圖8-3 對應葉輪Dm= 250.0 mm;圖8-4對應葉輪Dm= 200.5mm;圖8-5對應葉輪Dm= 160.8mm;圖8-6對 應葉輪Dm = 129. Omm;圖8-7對應葉輪Dm = 103.5mm。由圖可見，相似的累其內部速度分布規律 相同，速度大小成比例，隨著模型累尺寸的減小，絕對速度增大。
[0121] 圖9-1至圖9-6顯示了各合理種模化方案下模型累內部的壓力分布，圖中將模型累 尺寸按比例顯示，壓力在相同的色標下顯示。由圖可見，相似的累內的壓力隨著模型累尺寸 的減小而增大，壓力大小成比例。圖9-1對應葉輪Dm=311.7mm;圖9-2對應葉輪Dm=250.0mm; 圖9-3對應葉輪Dm = 200.5mm;圖9-4對應葉輪Dm= 160.8mm;圖9-5對應葉輪Dm= 129.Omm;圖 9-6對應葉輪Dm= 103.5mm。如果將各模型累的壓力色標調整為全值域顯示，和速度分布一 樣，相似的累其內部壓力分布規律相同。
【主權項】
1. 一種高溫烙鹽累的常溫模化測試方法，其特征是:該方法包括W下步驟： 1. W待測試高溫烙鹽累為原型累，按原型累尺寸等比例縮放設計出模型累，模型累采 用常溫介質進行模化測試； 2) 模型累和原型累在幾何形狀相似的前提下，同時滿足雷諾數、比流量和比揚程相等， 則兩臺累性能相似，并根據如下對應關系，設計模化測試方案：其中，原型累輸巧介巧的潭度刃化，粘度刃叫，轉速刃np，葉輪且貨刃Dp;模型累輸送介質 的密度為Pm,粘度為，轉速為nm，葉輪直徑為Dm; X為相似系數，取值范圍為-1《1 ; 3) 通過模擬或測試的方法得到模型累的各性能參數，包括模型累的揚程Hm、流量Qm、軸 功率Pm、效率rim; 4) 根據得到的模型累的各性能參數，并根據如下對應關系，轉換后得到原型累性能參 數；其中，原型累的流量為Qp,揚程為Hp,軸功率為Pp,效率為％;模型累的流量為Qm,揚程為 Hm,軸功率為Pm,效率為rim。2. 根據權利要求1所述的模化測試方法，其特征是:該方法還包括對相似系數X在取值 范圍內取多個值，得到多組模化方案，從中篩選滿足W下條件的合理模化方案:模型累的轉 速控制在100~eOOOr/min之間；模型累的流量應大于InrVh，揚程應大于O . Im;模型累的葉 輪直徑控制在0.1~0.6m之間，根據合理的模化方案進而確定相似系數X值。3. 根據權利要求1或2所述的模化測試方法，其特征是:所述常溫介質為0~35°條件下 的水或油。4. 根據權利要求3所述的模化測試方法，其特征是：當直接采用原型累作為模型累時，Dp = Dm;當原型累葉輪直徑在0.1~0.6m范圍時，可直接W原型累作為模型累進行模化試驗。
【文檔編號】F04D15/00GK105909537SQ201610319355
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】邵春雷, 顧伯勤, 周劍鋒, 程文潔
【申請人】南京工業大學