部分流式液氮泵水力特性测试

　　1 引 言

　　随着低温工质如液氧、液氮、液氦等在工业及科研中的应用日益广泛，用于其输运的低温液体泵的应用也越多。低温液体泵泵送工质温度极低，为保证输运的安全性和经济性，要求低温液体泵具有高效率、低漏热、高可靠性等特点。在诸多超导体强迫对流冷却应用场合如高温超导电缆、大型超导磁体冷却等应用中，由于冷却对象热负荷不大，而其长度方向较长，其对低温液体泵的需求为高扬程而小流量，如果此时泵采用常规电机驱动，那么泵此时对应的比转速较小，此时离心泵效率较低。考虑到部分流泵在低比转速下效率较高、轴承选择要求较低、加工容易的特点[1]，参考Barber-Nichols 公司为EAST 提供的超临界氦循环泵实体模型，设计并制造了一台部分流式液氮泵，在设计中，为了减少泵体漏热，采用了延伸轴长设计，同时为减少环境温度与低温环境辐射换热，沿轴长方向设置了多块防辐射屏。泵的设计过程及模拟分析详见文献[2]。液氮泵的设计参数、主要结构尺寸如表1、表2 所示，泵的组装后如图1 所示。

　　2 测试平台

　　低温液体泵的实际性能需要通过实验实测得到。为完成相关测试，搭建了一套测试平台，通过相关的测试实验测定泵的水力特性，包括不同转速下流量扬程特性，流量效率特性等。参考欧洲核子中心CERN的ATLAS 磁体所用液氦泵测试系统[3]，设计的泵测试平台流程如图 2 所示。

　　测试平台中，容器1、2 通过发泡材料包裹，低温管道、阀门等也都外包了绝热材料以减少漏热。泵竖直安装在容器1 上，实验时泵启动后从容器1 中抽出液氮，通过管道、阀门及相关测量仪器进入更高的容器2 中，液体由于重力差从容器2 中经过可调节流量的阀门返回容器1，完成整个循环过程。泵由变频电机驱动，泵转速通过变频器调节，变频器调节频率20 Hz—110Hz 对应泵转速1200—6600r/min。测试过程中，改变泵运行转速，测定泵在不同转速下不同流量情况下泵的性能参数，得到泵的完整特性表现。

　　试验中，流量计为GPI 产涡轮流量计，准确度为±0.5% ; 压力测量采用电容式压力变送器，准确度为±0.075% ，温度计采用铂电阻温度计Pt100。

　　3 测试结果

　　3. 1 扬程特性

　　向容器1 中灌注液氮，调整液氮液位，当液位高于叶轮0.2 m 时，泵能顺利启动。通过调节出口阀和电机转速，完成了液氮测试实验，实验的测得的流量-扬程特性曲线如图3 所示，实验与预测扬程对比如图4。

　　从测得的泵流量扬程特性曲线来看，泵在小转速时扬程与数值计算值较为吻合，同时泵的流量范围内的扬程变化很小，与预测值及部分流泵理论分析[4]一致; 但当泵的转速提高至 3 600 r/min 以上后，泵的实测扬程要远低于预测值，且泵的扬程随流量增大衰减明显，同时也观察到泵工作产生的的噪声随转速提高增大明显的现象。试验中也发现，当液位超过叶轮0.15m 以上泵才能顺利启动，在液位较低时，泵的出口为氮气或不稳定的气液混合物。以上信息表明，在转速较高的测试试验过程中，泵内产生了严重气蚀过程，该过程急剧的抑制泵的性能并使泵产生较大的噪声和振动。