ZBM-750型轴流泵水力模型的研究

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ZBM-750型轴流泵水力模型的研究

摘要】　介绍了ZBM-750型轴流泵水力模型的设计及试验研究，通过取稍大的轮毂比_h，增加轮毂侧的叶栅稠密度l/t和外缘翼型安放角，达到了良好的效果。结果表明：该模型具有效率高、高效范围宽、过流量大、抗汽蚀性能好、工艺性好等特点，可以推广应用。

　　叙词： 轴流泵　模型　设计　试验　特性曲线

RESEARCH ON HYDRAULIC MODEL OF ZBM750 AXIAL FLOW PUMP

Shi Weidong　Guan Xingfan

(Jiangsu University of Science and Technology)

Abstract

　　The design and experimental research on hydraulic model of ZBM-750 axial flow pump are introduced in the paper. A better performance of the pump is obtained by selecting a bigger wheel-hub ratio, increasing leaf blade density at the wheel hub edge and the setting angle of van mould at the outside edge. The results show that the model has the features of high efficiency, wide range of efficiency, large discharge, anti-cavitation and good technological characteristic. The highest efficiency at the angle of -2° reaches 86.31% and an efficiency more than 84.04% is obtained at each angle. The ranges of performance parameters, in the case that the efficiency is more than 80%, are Q=0.28～0.45 m³/s and H=4.6～9.0 m for the angle from +4° to -4°. Under the optimum working condition, the discharge is 0.415 m³/s at the angle of +4°, and more than 0.354 m³/s at the angle of above -2°.

　　Key words　Axial flow pump, Model, Design, Experiment, Characteristic curve

　　引言
　　轴流泵属于低扬程、大流量型泵，结构简单，使用方便，主要用于农田排灌，也可用于城市给水排水、热电站中输送循环水、船坞升降水位等。研究轴流泵水力模型，是发展我国低扬程排灌事业的基础。
　　为了提高轴流泵的性能，并给南水北调等工程用大型轴流泵提供先进的水力模型，1981年曾在中国农业机械化科学研究院进行了轴流泵模型的集中同台对比试验^［1］。但迄今为止，国内尚无过流量大、效率高、抗汽蚀性能好、工艺性好的n_s＝700左右的轴流泵模型。本研究按照南水北调东线工程等有关泵站的工况要求，提出了如下设计参数并进行了设计及试验研究：Q=0.35 m³／s，H=6.5 m，n=1 450 r／min，n_s=750，D=300 mm，η≥85%，C≥1 100。

1　水力设计
　　叶轮是泵的核心部件，模型叶片的设计应给出符合给定参数流动规律的叶片形状，即解决叶栅绕流的反问题。因为叶轮内的流动是复杂的空间流动，若精确地设计叶片，应当解决包括边界条件在内的空间叶栅绕流问题。尽管三元理论的研究有了很大进展，但因叶栅绕流的特殊性和边界条件的复杂性，目前尚未成功用来设计轴流泵叶片。故本文仍采用常规设计，以平面叶栅理论为基础，把复杂的空间流动简化为平面流动，即升力法。同时选用具有较高效率和抗汽蚀性能的791翼型，在大量试验研究的基础上，提出了改进和提高轴流泵模型水力性能的一些新方法。
1.1　叶片数Z
　　叶片数Z通常按照比转数n_s来选取，对于n_s＝700左右的模型，Z＝4～5，本文取Z＝4。
1.2　轮毂比_h
　　轮毂用来固定叶片，在结构和强度上应保证叶片安装的要求。从水力性能上讲，减小_h可减小水力摩擦损失，增加过流面积，有利于抗汽蚀性能的提高。但是，过分地减小_h，会使轮毂与轮缘之间各流线的角度差过大，叶片扭曲严重。当偏离设计工况时，由于轴面速度减小，使各流线的液流角变化不等，冲角变化较大，引起叶片进口流动的紊乱，导致轮缘侧产生二次回流及旋涡。同时，轮毂侧出口压力低，也会形成二次回流，从而导致高效区变窄，效率下降。因此，取比一般文献推荐值稍大的轮毂比会改善这种流动状态，从而扩大高效范围，如图1所示。本文取_h＝0.52。同时轮毂带有一定的锥度，试验表明可以改善流动性能。

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1　＋4°角的主要工作性能参数

序号	流量 Q/m^3.s^-1	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	比转数 n_s
1	0.463	5.01	29.020	78.48	1 075.9
2	0.453	5.78	31.698	81.05	955.7
3	0.441	6.61	34.374	83.14	852.3
4	0.435	6.83	35.010	83.19	825.9
5	0.428	7.09	35.718	83.31	796.7
6	0.424	7.33	36.516	83.43	773.3
7	0.415	7.62	36.941	84.04	743.7
8	0.408	7.95	38.239	83.15	713.8
9	0.402	8.13	38.651	82.93	696.9
10	0.387	8.64	40.279	81.48	653.5
11	0.380	8.83	40.719	80.92	637.3
12	0.376	8.94	41.046	80.38	627.9
13	0.370	9.09	41.543	79.44	615.0
14	0.337	9.76	43.712	73.75	556.2
15	0.322	9.97	44.450	70.83	535.2
16	0.311	10.03	44.591	68.67	523.8

表2　+2°角的主要工作性能参数

序号	流量 Q/m^3.s^-1	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	比转数 n_s
1	0.457	4.21	26.626	70.92	1 217.6
2	0.442	5.09	28.307	77.97	1 038.3
3	0.423	6.04	30.477	82.20	893.2
4	0.415	6.43	31.348	83.55	844.6
5	0.407	6.74	32.009	84.16	807.6
6	0.404	6.87	32.347	84.17	792.7
7	0.397	7.19	33.022	84.78	759.4
8	0.388	7.55	33.929	84.59	723.3
9	0.378	7.93	34.836	84.37	688.4
10	0.372	8.08	35.274	83.66	673.8
11	0.356	8.67	36.772	82.23	624.5
12	0.337	9.04	38.349	77.96	589.4
13	0.327	9.19	38.957	75.77	573.7
14	0.313	9.46	39.735	73.06	548.8
15	0.294	9.91	40.851	69.92	513.6
16	0.283	10.03	41.120	67.79	499.8

表3　0°角的主要工作性能参数

序号	流量 Q/m^3.s^－1	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	比转数 n_s
1	0.416	4.81	25.324	77.42	1 050.4
2	0.404	5.51	26.805	81.47	935.4
3	0.394	6.01	27.796	83.57	865.5
4	0.384	6.48	28.857	84.61	807.6
5	0.376	6.84	29.873	84.43	767.2
6	0.371	7.04	29.998	85.39	745.8
7	0.369	7.15	30.326	85.37	735.4
8	0.366	7.27	30.637	85.13	722.9
9	0.361	7.45	31.091	84.86	705.2
10	0.353	7.73	31.814	84.09	678.1
11	0.345	8.06	32.637	83.63	650.0
12	0.333	8.42	33.658	81.62	617.5
13	0.311	9.04	36.007	76.67	566.4
14	0.284	9.75	39.106	69.56	511.5
15	0.269	10.09	41.156	64.72	485.0
16	0.259	10.03	41.556	61.23	477.5

表4　-2°角的主要工作性能参数

序号	流量 Q/m^3.s^－1	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	比转数 n_s
1	0.418	2.78	20.163	56.55	1 589.5
2	0.403	4.02	22.033	72.06	1 182.8
3	0.394	4.53	22.821	76.63	1 069.2
4	0.388	5.14	23.830	81.99	965.1
5	0.371	5.99	25.762	84.69	842.3
6	0.361	6.44	26.676	85.52	786.7
7	0.354	6.78	27.304	86.31	749.8
8	0.348	7.07	27.966	86.18	719.6
9	0.338	7.44	28.671	85.99	682.8
10	0.329	7.82	29.541	85.46	649.3
11	0.313	8.29	30.783	82.72	606.2
12	0.296	8.68	31.968	78.95	569.8
13	0.285	9.13	32.929	77.38	537.5
14	0.266	9.72	34.116	74.26	495.6
15	0.257	10.02	35.081	71.98	476.3
16	0.241	10.10	35.260	67.72	458.6

表5　-4°角的主要工作性能参数

序号	流量 Q/m^3.s^－1	扬程 H/m	轴功率 P/kW	效率 η/%	比转数 n_s
1	0.389	3.28	18.716	66.93	1 354.9
2	0.376	4.30	20.388	77.86	1 087.2
3	0.370	4.66	21.105	80.19	1 015.3
4	0.361	5.17	22.301	82.17	927.8
5	0.348	5.88	23.778	84.49	827.2
6	0.339	6.34	24.664	85.59	771.7
7	0.331	6.75	25.607	85.46	726.6
8	0.322	7.08	26.311	84.98	691.8
9	0.313	7.43	27.014	84.45	657.9
10	0.303	7.80	27.755	83.59	624.4
11	0.296	7.96	28.300	81.70	607.7
12	0.275	8.69	29.776	78.65	548.1
13	0.263	9.24	30.879	77.09	511.7
14	0.250	9.60	31.743	74.23	485.4
15	0.236	9.93	32.556	70.48	459.1
16	0.222	10.07	33.005	66.48	441.2

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

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