1.2.4 离心泵的内外关联

要建立离心泵外特性不稳定与内部流动不稳定之间的关联，一方面要监测和诊断驼峰状态下流动分离区的范围以及运行过程中分离区的动态变化趋势，这实质是离心泵内部不稳定流动的捕捉与特征提取，研究外特性不稳定状态下内部流动的动态变化规律；另一方面应明确内部流动不稳定对外特性不稳定的作用机理，采取相应措施延迟和控制分离流动，降低分离流动对离心泵外特性不稳定的影响，并在此基础上提出离心泵外特性不稳定的控制策略。

在离心泵外特性不稳定控制方面，国内外学者已开展了许多研究工作，并取得了一定的进展。研究工作主要集中在通过采取各种措施来改善泵内部流动情况，进而避免出现离心泵外特性不稳定。Cooper P^[52]较早提出了在诱导轮进口前缘安装反向流稳定器的结构措施来解决进口前缘的回流。在四台高速离心泵的诱导轮进口前缘安装反向流稳定器，使高速离心泵由原来在小流量工况下的不稳定变得稳定，反向流稳定器可以使高速离心泵在从最佳效率点（Best Ef-ficiency Point，BEP）到关死点的所有流量下稳定运行。作者课题组也针对低比转速离心泵进行了大量研究^[53，54]，针对小流量高扬程高速离心泵，由于比转速很低而存在的效率低和容易出现小流量工作不稳定等问题，在结构上提出了变螺距诱导轮和复合叶轮的组合结构，理论上提出了加大流量的设计方法。这些研究以内部流动为基础，虽然对离心泵的外特性不稳定进行了改进，但未能揭示离心泵外特性不稳定与内部流动不稳定之间的内在关联。

当离心泵运行于外特性不稳定工况时，泵内流体流动会变得不稳定，并首先在叶片背面出现流动分离，而流动分离区的出现不可避免地要影响机械的能量转换特性。Tsujimoto^[55]详细介绍了旋转失速的生成机理，认为旋转失速是与扬程流量曲线的正斜率密切相关的流动不稳定现象。Krause等^[56]采用瞬态PIV （Time-Resolved Particle Image Velocimetry，TR-PIV）技术分析了三种不同叶片形式离心叶轮内的旋转失速现象，结果表明大包角的叶轮能够抑制叶轮出口区域的流动分离，并由此获得无驼峰的扬程曲线。Shojaeefard等^[57]研究离心泵输送不同黏度液体时发现，当输送原油时，离心泵扬程曲线稳定，工作介质为水时，泵的扬程曲线出现驼峰，出现这种现象的原因在于泵内介质黏度的增大会降低叶片表面边界层分离的可能性。本书作者所在课题组^[58]已开展了采用能量梯度来判断离心泵内部流动不稳定发生位置的研究，从泵内能量梯度函数随流量的变化规律来看，泵内容易发生失稳的区域是能量梯度K函数最大的区域。叶轮出口区域和蜗壳隔舌附近是K函数出现最大值的区域，然而随着流量的减少，叶轮流道内K函数最大的区域逐渐向叶轮进口方向迁移，这意味着叶轮进口区域流动逐渐影响泵内流动的稳定性，改变叶轮进口结构的方法可以减小外特性不稳定。

可见，尽管国内外已经在外特性不稳定与内部流动不稳定之间关联这方面开展了一定的研究，在一定程度上解释了离心泵内部流动与外特性不稳定的关联，但并未完全揭示其内在机理，还没有掌握内部流动不稳定对外特性不稳定的影响规律。