开敞式高比转速轴流泵模型装置的试验研究
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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Vm、圆周分速度Vu,增加轮缘翼型的安放角和轮缘侧的Vm、Vu。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ns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 ns |
+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。 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 |
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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 |
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 ns |
+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. |
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. 3 原型装置特性 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 ns |
+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 |
4 结论 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. |
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