ZBM-750型轴流泵水力模型的研究

图1　轮毂比_h与比转数n_s的关系

1.3　叶栅稠密度l／t
　　叶栅稠密度是轴流泵叶轮的重要几何参数，它直接影响泵的效率，也是决定汽蚀性能的重要参数。只有叶片出口V_ur为一常数，才可能消除径向流动，减小损失，提高效率。但通常轴流泵叶片根部短，外缘长，并且一般文献推荐的轮毂处与外缘处的叶栅稠密度之比为1.25左右，无法保证根部翼型与外缘翼型具有相同程度的能量转换，从而造成叶片出口扬程不均，引起径向流动。因此，适当减小外缘侧的l／t_缘，增加轮毂侧的l／t_毂，不但可以减小内外翼型的长度差，均衡出口扬程，而且还可减小非设计工况下的二次回流，减小水力损失，有利于提高效率、扩大高效范围、提高运转稳定性等。
　　当然，若外缘侧的叶栅稠密度减小较多，则会导致抗汽蚀性能下降。因此，选择l／t时应兼顾效率和汽蚀。同时选择l／t还应考虑叶片数的多少。根据对不同比转数叶轮的试验研究，采用图2所示的Z与l／t_缘的关系较为合适。根据笔者对数个轴流泵水力模型设计的实践及试验结果，轮毂处与外缘处叶栅稠密度之比取1.3～1.45为好。本文取l/t_缘＝0.789,l/t_毂＝1.13，即l/t_毂＝1.432l/t_缘。

图2　叶片数Z与外缘叶栅稠密度l/t_缘的关系

1.4　翼型安放角
　　根据笔者对有关轴流泵叶片的试验研究得知，翼型安放角对轴流泵的性能具有十分重要的影响。
　　由试验测量可知，轴流泵叶轮进口的预旋十分明显，改变了叶片进口的流动状态。根据速度三角形可以看出，有了预旋之后要求有较大的安放角与之相适应，因此，增加外缘翼型安放角正适合这种实际流动情况。
　　另外，通常外缘翼型很薄，几乎平直，且冲角很小，可见其作功的能力不强，这种情况与外缘翼型所处的地位很不适应。反之，轮毂侧的翼型很厚，拱度大，且冲角很大，所以叶片扭曲严重。因此，设计时适当减小轮毂翼型的安放角和轮毂侧的轴面速度与圆周分速度，增加外缘翼型的安放角和外缘侧的轴面速度与圆周分速度。这样可以减小叶片的扭曲，改善翼型的工作条件，不仅增加过流量，而且对提高效率、扩大高效范围、提高抗汽蚀性能等都有重要影响。本文取翼型安放角β_e＝23°～43°。
1.5　修圆叶片外缘
　　根据汽蚀余量公式可知，相对速度较大的叶片外缘进口处是汽蚀易发生的危险区。因此，适当修圆叶片进口外缘，可以推迟外缘处汽蚀的发生，提高叶片的抗汽蚀性能。另外，为了减小轮毂和外缘截面叶片长度之差，外缘出口处也可适当修圆。

2　试验装置与量测设备

2.1　试验装置
　　ZBM750型轴流泵水力模型的试验研究是在江苏理工大学的“φ150～400 mm水泵模型泵段及水泵模型装置试验台”上进行的。该试验台是在大型闭式泵B级试验台的基础上改建而成的，可以进行口径为φ150～400 mm的各种轴流泵及其他大中型水泵的模型试验、模型装置试验及产品的性能试验，结构如图3所示^［2，5］。试验系统是一个全封闭的循环回路系统，系统总容量为50 m³。

图3　水泵模型泵段及水泵模型装置试验台
1.闸阀　2.管路　3.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

　　模型泵的试验研究是在试验装置的模型泵试验台位上进行的。水自汽蚀筒均匀地流入泵进口，经模型泵获得能量后流入稳压筒，然后经管路流回到汽蚀筒，形成回路。当模型泵的扬程太低，不能形成自循环水流时，可借助增压泵来达到自循环。模型泵为卧式安装，驱动电机功率为45 kW，通过扭矩仪与泵轴联接。工况点的变更与调节通过管路上闸阀的开度变化来实现。为了在汽蚀试验时便于观察泵进口和出口流态及汽泡生成情况，分别在泵进口和出口部位两侧安装φ100 mm的有机玻璃观察窗口。
2.2　量测设备
　　轴流泵模型试验主要是测试该模型在运行过程中的综合特性曲线，实际上也就是流量、扬程、转速及轴功率的测量。本试验采用MT900型电磁流量计测量流量，测量精度为±0.50％；模型泵的扬程是指泵的出口法兰和进口法兰之间的水压力差值，采用带稳压装置的U型水银差压计进行测量，读出水银差压计值后再换算成水柱值，测量精度为±0.27％；模型泵的转速采用ZJ500Nm转矩转速传感器测量，测量精度为±0.05％；模型泵的轴功率采用转矩转速传感器测量，测量精度为±0.502％。本次试验其效率测量的综合误差为±0.759％，各量测量精度均达到并超过GB3216—89B级和ISO／DIS5198A级（草案）规定的要求。

3　试验内容与结果
　　ZBM750型轴流泵水力模型的转轮直径为300 mm，试验的同步转速为1 500 r／min。针对设计方案进行了+4°、+2°、0°、-2°、-4°共5种叶片角度下的性能试验和汽蚀试验。性能试验每个角度进行2次，测量点多于16个，小流量区段(包括零流量)采用调速电机降速试验，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种工况，每个工况测量点多于10个，临界点按效率下降1％确定。表1～表5分别列出了当转速换算成规定转速为1 450 r／min时ZBM750型轴流泵水力模型在5种叶片角度下的主要工作性能参数。ZBM750型轴流泵水力模型的综合特性曲线如图4所示。

表2　+2°角的主要工作性能参数

表5　-4°角的主要工作性能参数

图4　ZBM750型轴流泵水力模型的综合特性曲线

4　结论
　　（1） 该模型最优工况下各角度的比转数均为750左右，与设计要求相符，从而填补了国内缺乏高性能的700左右比转数轴流泵水力模型的空白。
　　（2） 该模型效率高，－2°角最优工况下的效率为86.31％，各角度下最优工况点的效率均超过84.04％。
　　（3） 该模型的高效范围宽，从＋4°角到－4°角模型泵效率高于80％的性能参数范围为Q=0.28～0.45 m³／s，H=4.6～9.0 m。
　　（4） 该模型的过流量大，＋4°角最优工况下的流量达0.415 m³／s，－2°角以上最优工况下的流量均大于0.354 m³／s。
　　（5） 在汽蚀试验中，各测量参数很稳定，汽蚀比转数C均超过1 112，说明该模型的抗汽蚀性能良好。
　　（6） 该模型厚度适中，外缘5～6 mm，根部10～12 mm，工艺性好。

水利部科技发展计划项目

作者单位：施卫东　江苏理工大学流体机械工程技术中心副主任　副研究员， 212013　镇江市
　　　　　关醒凡　江苏理工大学流体机械工程技术中心　教授　博士导师

参考文献
　1　中国农业机械化科学研究院 编. 轴流泵和导叶混流泵模型汇编， 1981.
　2　施卫东, 关醒凡. 水泵模型泵段及水泵模型装置试验台精度分析. 水泵技术, 1995（6）: 44～47
　3　施卫东 编著. 流体机械. 成都: 西南交通大学出版社, 1996.
　4　关醒凡 编著. 现代泵技术手册. 北京: 宇航出版社, 1995. 306～335
　5　施卫东, 关醒凡. 30°斜轴泵模型装置的试验研究. 中国农村水利水电, 1997（3）: 28～30