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	开敞式高比转速轴流泵模型装置的试验研究

发布时间：2010.12.14 新闻来源：济南泰达泵业 浏览次数：

摘　要　提出了高比转速轴流泵模型设计的一些新的处理方法，介绍了开敞式轴流泵结构型式的特点、流道的设计及其模型装置的试验研究。结果表明：该模型装置过流量大，装置效率高，高效范围广，可以在很广的低扬程范围内推广应用。
关键词　高比转速，轴流泵，模型，装置试验，特性曲线。

　　轴流泵在江苏、浙江、广东等省及东北三江平原地区的农田排灌中发挥了巨大的作用，预计今后轴流泵将在防洪排涝及抗旱中起更重要的作用.然而，目前低扬程大流量轴流泵存在的技术问题有：缺少优良性能的水力模型；没有好的结构型式。所以本应使用低扬程轴流泵的地区(扬程2～3m)也只好使用设计扬程较高(5～7m)的轴流泵，造成能源上的极大浪费。因此，研究这种低扬程大流量高比转速的轴流泵水力模型并进行模型装置试验，是发展我国低扬程排灌事业的基础。

1　模型装置
1.1　水力模型设计　轴流泵水力模型设计主要分为两部分；一是叶片，二是导叶。叶片的设计采用升力法，而导叶的设计采用流线法^［1］。
1.1.1　叶片的设计　叶轮是泵的核心，叶片各几何参数选择不当及型线不良，将会导致泵的性能下降。因此，对于高比转速轴流泵水力模型，我们还采取了以下一些新的处理方法来进行设计。
　　(1)考虑轮毂、轮缘边界条件和泵进口预旋的影响，采用按变轴面速度和变环量分布的设计方法。设计时减小轮毂翼型的安放角和轮毂侧的轴面速度V_m、圆周分速度V_u，增加轮缘翼型的安放角和轮缘侧的V_m、V_u。从而减小了叶片的扭曲，改善了翼型的工作条件，对增加过流量，提高效率和抗汽蚀性能有重要影响。
　　(2)适当减小外缘侧的叶栅稠密度，增加轮毂侧的叶栅稠密度，以减小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程。同时，还可以减小非设计工况下的二次回流，对扩大高效范围，提高运转稳定性有好处。
　　(3)正确选取轮毂比，一般对于比转速n_{_s}大于1300的模型，其轮毂比取0.35～0.40为好。这样，不但有利于提高效率和扩大高效范围，而且也不致于使叶片扭曲严重，导致液体流动紊乱。
　　(4)适当修圆叶片进口外缘，从而推迟外缘处汽蚀的过早发生，提高叶片的抗汽蚀性能.另外，为了减小轮毂和轮缘截面叶片长度之差，外缘出口处也可适当修圆。
　　(5)调整各截面翼型的旋转中心，以减小叶轮内流动的径向滑移，提高效率。
1.1.2　导叶的设计　如果导叶的出口角较小，则不能充分消除叶轮出口环量，对开敞式泵而言，其旋转水流的扰动十分明显。为此，适当减小导叶轮毂体的直径，并重新调整导叶进口边在平面图上的位置，使叶片和内外壁的真实夹角接近90°。

表1　ZM931高比转速轴流泵水力模型最优工况下的工作性能(D=300mm n=1450r/min)

叶片角 φ/(°)	流　量 Q／(m³／s)	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	汽蚀比转数C	比转速 n_s
＋4	0.4101	3.55	17.522	81.49	1070	1310
＋2	0.3831	3.37	15.373	82.28	1080	1317
0	0.3556	3.25	13.635	83.09	1274	1304
－2	0.3335	3.08	12.052	83.47	1315	1315
－4	0.3102	2.88	10.440	83.81	1180	1333

　　综上所述，用此方法设计的高比转速轴流泵水力模型，1995年通过了江苏省科委鉴定，具有效率高，高效范围广，抗汽蚀性能好，过流量大等特点，达到国内领先水平.该模型最优工况下的工作性能见表1所示。
1.2　开敞式结构型式　据国内外有关资料介绍及实践表明，开敞式轴流泵是一种比较理想的低扬程泵型式，在3m扬程以下使用具有明显优势.其主要特点是：结构简单，造价约为普通泵的2／3；装置效率高，抢排威力大，运行可靠；简化站房，大量减少施工费用，可降低工程造价30%以上；安装、调整、维修方便；因使用较低转速，泵站挖深小，泵无汽蚀之忧^［2］。
1.3　流道设计　灌排结合的泵站工程，其灌排切换控制可以通过设备或工程两种途径来实现。本设计从工程方面考虑，采用闸站结合的双向流道方案.进水流道采用“双向矩形涵洞”，出水流道为“箱形水池”，进、出水流道匹配成“X”型双向流道.出水流道出口高水位时有压出水，一般为开敞出水.另外，双向流道泵站可自流引水和自流排水，从而发挥节制闸的功能。
　　关于开敞式结构的上述进、出水流道，在我国大型泵站中尚属首次应用.因此，为了增加流道设计的准确性，减少模型装置试验的周期和费用，采用直接求解三维雷诺平均N－S方程和标准k－ε紊流模型方程组的方法，计算进出水流道的流场及进口喇叭管。同时，根据轴流泵叶片设计的两个基本条件，建立了水泵叶轮室进口断面的流速分布均匀度V_u和水流入泵的速度加权平均角度两个目标函数。优化计算的目标是取得最接近理想值V_u=100%和＝90°的最优值^［3］。
　　
　图1　进水流道模型的型式及基本尺寸　　　　图2　出水流道模型的型式及基本尺寸

　　根据上述要求，对设计的进水(包括出水)流道进行了多次优化，最终选用的进、出水流道模型的型式及基本尺寸分别如图1、图2所示，其对装置性能的主要影响如下。

　　(1)由于流道较短，特别是双向泵站进、出水流道中流速较低，所以其沿程损失较小。
　　(2)进水流态对泵的工作状态影响较大，本设计经优化后的流速分布均匀度达94%，速度加权平均角度达85°.从而能给泵提供轴向基本均匀、无旋的进口流速，且无涡带发生.故进水流道内流态稳定，装置效率较高。
　　(3)据测出水流道可回收3～5%的动扬程，由于泵在高效点附近出口环量最小，因此其能量回收作用可使装置效率曲线在高效区变宽。
　　(4)由数值计算优化确定的进口喇叭管、进水流道宽、后壁距、悬空高等尺寸，可使水流均匀、平顺地进入水泵，且使从不同方向进入喇叭口的水量尽可能接近相等，从而消除水流紊乱，减小旋涡，改善流态，提高了装置效率。
　　(5)进水流道内的中隔墩，可以稳定进水流态，减小及消除旋涡，有利于提高装置效率。
　　开敞式双向流道泵站轴流泵模型装置如图3所示。

2　试验研究
2.1　试验装置　开敞式高比转速轴流泵模型装置的试验研究是在江苏理工大学流体机械研究所的“150～400mm水泵模型泵段及水泵模型装置试验台”^［4］的模型装置试验台位上进行的，如图4所示。试验系统是一个全封闭的循环回路系统，系统总容量为50m³.水自汽蚀筒通过进水箱、进水流道均匀地流入模型泵，获得能量后通过出水流道、出水箱流入稳压筒，然后经管路系统流回汽蚀筒，形成回路.当模型泵的扬程太低不能形成自循环水流时，可借助增压泵以达到自循环.模型装置为立式安装，积木式框架结构，45kW的调速驱动电机通过扭矩仪与泵轴联接.工况点的变更与调节以管路上闸阀的开度变化来实现。

1.出水箱　2.出水流道　3.隔墩　4.进水喇叭管　5.电机 6.扭矩仪　7.模型泵　8.进水流道　9.进水箱
　图3　开敞式双向流道泵站轴流泵模型装置

1.甲阀　2.管路　3.涡轮(电磁)流量计　4.稳压筒 5.15、17.电机　6.增压泵　7.汽蚀筒　8.进水箱 9.进水流道　10.14.模型泵　11、16.扭矩仪 12.出水流道　13.出水箱
图4　水泵模型泵段及水泵模型装置试验台

表2　开敞式高比转速轴流泵模型装置最优工况下的工作性能

叶片角 φ/(°)	流　量 Q／(m³／s)	扬程 H/m	轴功率 P/kW	装置效率 η/%	汽蚀比转数C	比转速 n_s
＋4	0.329	2.49	13.60	59.06	879	1320
＋2	0.316	2.21	11.08	61.85	891	1416
0	0.299	2.03	9.36	63.51	787	1466
－2	0.284	1.85	8.01	64.35	783	1532
－4	0.267	1.60	6.32	66.20	791	1657

　　该试验台设计布置合理，安装调整方便，系统运行稳定、可靠，重复性良好，1994年6月通过了水利部、机械部组织的联合技术鉴定，居国内先进水平.本次试验其效率的综合误差为±0.958%，各量测量精度均达到并优于GB3216－89B级和ISO／DIS5198A级(草案)规定的要求.
2.2　试验内容与结果　试验模型泵的转轮直径D=300mm，试验规定转速n＝1250r/min，共进行了以下几项试验.
2.2.1　能量与汽蚀试验　进行了±4°、±2°、0°共5种叶片角度下的能量试验与汽蚀试验.能量试验每个角度进行两次，小流量区段(包括零流量)采用降速试验，然后换算为规定转速的性能；大流量区段(包括零扬程和负扬程)借助增压泵试验.汽蚀试验每个角度进行大流量、额定流量、小流量共3个流量点，临界点按效率下降1%确定.

图5　开敞式高比转速轴流泵模型装置的综合特性曲线

　　本次试验测量的原始数据全部由计算机处理后换算至额定转速为1250 r/min时的数值.试验结果绘制成每个角度下的性能曲线、汽蚀特性曲线以及综合特性曲线.表2列出了该模型装置最优工况下的工作性能，该模型装置的综合特性曲线如图5所示.
2.2.2　流态观测试验　为了进行模型装置的流态观测，在出水流道一侧、进水流道两侧设置比较大的透明观察窗口，在进水喇叭管周围和正对着喇叭口的底板上粘挂颜色线.观测结果如下：
　　1.在整个能量试验范围内出水流动较稳定，无明显的旋涡和翻动；在汽蚀试验时，出流夹带大量气泡而翻动，并发出较大的喘振声音.
　　2.在进水流道中，对高扬程、低扬程、零扬程和负扬程工况下的观测表明：
　　(1)喇叭管靠窗口两侧的挂线左右摆动，靠后侧死水区的挂线向死水区方向偏摆，而且随着流量的增加，向回摆动的趋势增强.
　　(2)底板挂线大致都直向喇叭口，靠进水侧有向内倾斜的趋势，两侧和内侧的挂线有摆动和扭转的趋势，且随着流量的增加而增加.
　　(3)随着流量的进一步增加，进水流道局部有小气泡产生.但在低扬程、零扬程和负扬程工况下，均未发现明显的旋涡、涡带和回流.
2.2.3　进口淹没深度试验　对＋2°角在1.5m扬程下，用降低进水箱水位的方法进行了进水流道的进口淹没深度试验.当水位从2.5m降到1.5m时，进水流动未产生任何变化.因为试验系统是一个闭式回路，继续降低水位则不能保持正常运行，故未做更低的淹深试验，而只能通过汽蚀试验来补充说明.
　　现以＋2°角下的汽蚀试验结果为准来计算原型机组的淹没深度.设H＝1.32m，Q＝24.83m³／s，n＝150r/min，C＝940，则NPSH_r=7.36m.于是，原型泵的许用汽蚀余量［NPSH］=1.5NPSH_r=11.04m.取进水流道损失h_c＝0.5m，则原型泵的安装高度为
　　　　
　　由此可知，原型机组的最小淹没深度为1.45m.
2.2.4　飞逸特性试验　为了进行飞逸特性试验，对试验系统进行改造，使增压泵直接从汔蚀筒吸水，其出口水流经稳压筒到被试泵出口，然后经过泵从其进口流出，使模型泵作水轮机工况反转，测定模型输出力矩为零时的转速，即为飞逸转速.
　　本试验在＋2°叶片角下，通过旁路闸阀调节使泵出口与进口的水头差分别为2.0、1.73、1.0m时，测得其飞逸转速分别为1401、1272、967r/min.

3　原型装置特性
　　由水力机械相似律，原型装置的特性可以根据模型装置的特性进行换算.
　　根据望虞河泵站要求，泵站设计总流量180m³/s，原型泵为9台，转轮直径D＝2500mm，按nD值相等计算，可得原型泵的额定转速n＝150r/min.表3列出了该原型装置最优工况下的工作性能，该原型装置的综合特性曲线如图6所示.

表3　开敞式高比转速轴流泵原型装置最优工况下的工作性能

叶片角 φ/(°)	流量 Q/(m³／s)	扬程 H/m	轴功率 P/kW	装置效率 η/%	比转速 n_s
＋4°	22.85	2.49	762.40	73.21	1320
＋2°	21.97	2.21	634.74	75.04	1416
0°	20.74	2.03	542.59	76.12	1466
－2°	19.69	1.85	466.08	76.67	1532
－4°	18.53	1.60	373.46	77.88	1657

图6　开敞式高比转速轴流泵原型装置的综合特性曲线

4　结论
　　(1)开敞式高比转速轴流泵模型装置的过流量大，0°角最高效率点的流量为0.299m³/s，换算至额定转速1450r/min时的流量可达0.347m³/s.
　　(2)装置效率高，高效范围广.－4°角时模型装置的最高效率为66.2%，换算至原型装置达77.88%.且原型装置在各角度下的最高效率均超过73%.
　　(3)由数模计算优化确定的进、出水流道及进口喇叭管形状和尺寸，经试验效果良好.
　　(4)在高扬程、低扬程、零扬程和负扬程工况下观测流态，均未发现明显的旋涡、涡带和回流.
　　(5)根据飞逸特性试验结果，在最高扬程为2.65m时，飞逸转速与额定转速的比值小于1.3，因此，该原型装置不会进入飞逸状态.
　　(6)本开敞式高比转速轴流泵模型装置的综合性能指标具有国内领先和国际先进水平，可以在很广的低扬程范围内推广应用.
　　(7)本模型装置已应用于国家“九五”期间的重点工程——太湖流域综合治理骨干工程的望虞河泵站，运行情况良好.
　　(8)本研究成果为同类及相近类型的低扬程、高比转速轴流泵站的设计提供了重要依据，具有一定的参考价值.

参考文献

　1　施卫东.低扬程轴流泵模型设计与试验研究.农业工程学报，1996，(1)：41～45.
　2　Guan Xingfan, Shi Weidong， et al. The Axial Flow Pump Model Develop and Device Test in Wang-yi River Pump Station. International Symposium on Fluid Machinery and Fluid Engineering, 1996.9,Beijing.
　3　陆林广，等.开敞式进水池三维紊流流动模拟水力优化计算目标函数.排灌机械，1996，(4)：18～21.
　4　施卫东，等.水泵模型泵段及水泵模型装置试验台、江苏理工大学学报，1997，(4)：63～68.
　5　关醒凡.现代泵技术手册.北京：宇航出版社，1995，306～314.

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