离心泵可调前置导叶的水力设计及试验分析

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1、离心泵可调前置导叶的水力设计及试验分析桂绍波曹树良梁开洪(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,热能工程系北京100084)摘要：借鉴传统的风机前置导叶调节的经验，并针对其采用的二维翼型在叶片轮毂处由于翼型弦长较短、对流体控制能力较差的缺陷，本文提出了一种全新的适用于离心泵前置导叶预旋调节的空间导叶水力设计方法，该方法假定前置导叶出口的流体满足等速度矩条件，通过四次分布函数给定叶片安放角沿轴面流线的分布规律来控制叶片的空间形状，采用逐点积分法进行叶片骨线的绘型，并在圆柱展开面上对叶片骨线双面加厚来

2、完成三维空间导叶的水力设计。在此基础上，将该导叶和二维导叶分别应用于某台工业离心泵并对其在给定轴向位置和不同的预旋角下进行了离心泵性能试验。结果表明：三维导叶能够有效的改进二维导叶的不足，并拓宽离心泵的高效运行范围，改善其在非设计工况下的水力性能，且与无前置导叶工况相比，最高效率可以提高2.13％，从而达到了为离心泵增效节能的目的。关键词：空间导叶预旋调节离心泵试验研究中图分类号：TH312－6－0引言随着国民经济的发展，工程运行中的节能问题越来越受到重视。泵作为一种通用机械，它的应用范围极其广泛并消耗大

3、量的能源。根据统计资料,泵的耗能约占世界总能耗的20%,在化工行业中高达26%,而在电力和石油行业中更是分别高达50%和59%[1]。离心泵更是由于实用范围广(包括流量、扬程及对输送介质的适应性)、体积小、结构简单、操作容易、操作费用低等诸多优点在工农业等行业中得到广泛应用。由于在多数情况下离心泵都在一定的工况范围内工作，所以除了提高离心泵设计点的效率之外，寻求一种高效的工况调节方式也是一种有效的节能新途径。*国家自然科学基金资助项目(50776052)*北京市科委2006年度科技计划重大资助项目(D06

4、06005040411)目前离心泵常用的工况调节方法主要有两种：节流调节和变速调节。节流调节能量浪费问题严重。变速调节因需要复杂的变频设备及其对变速范围的要求，因此在一定程度上也限制了其使用范围。进口预旋调节技术在50年代初应用于风机工况调节，并取得了较好的调节效果[2,3,4,5]。正是借鉴风机中预旋调节的经验，从80年代后期开始，国内外一些学者在水泵预旋调节方面也做了一些基础性的研究工作，但基本上是关于混流泵和轴流泵预旋调节方面的论述。对于离心泵来说，由于其叶轮流道长而窄、叶轮内外径相差较大等特点，目

5、前对其加装前置导叶进行预旋调节的相关研究还较为少见。预旋调节主要有两个作用：（1）改变水泵特性曲线的形状；（2）节流作用。当前置导叶预旋角较小时，通过改变导叶的预旋角使得离心泵叶轮叶片进口前除了轴向速度分量外，还有圆周速度分量，此时预旋调节占主导作用；而当预旋角较大时，由于前置导叶叶片区流道狭窄则此时节流调节占主导作用，因而调节效率相对较低。但是如果前置导叶的叶型设计合理，具有良好的水力性能，且与泵叶轮进口良好匹配，则产生的流动损失和水泵叶轮进口冲击损失也就较小，因此有望提高离心泵的水力性能。本文基于水力

6、机械水力设计基本理论，提出了一种新的离心泵前置导叶的设计方法，并应用该方法完成了三维空间前置导叶叶片的水力设计。在此基础上，应用该导叶和传统的二维导叶装置就同一台工业离心泵进行了试验研究，讨论了前置导叶对离心泵特性曲线的影响，并对比了两者的调节效果。本研究成果为离心泵寻求最优的工况调节方式和前置导叶的水力设计提供了有益的参考。1前置导叶的水力设计方法前置导叶的水力设计需要依次完成：（1）确定前置导叶叶片的轴面流道形状；（2）计算轴面流场；（3）叶片绘型；（4）叶片加厚。1.1前置导叶叶片的轴面流道形状考虑

7、离心泵叶轮进口吸水室形状的影响－6－和启闭导叶的需要，取前置导叶的轮毂和轮缘过流面均为圆柱面，并根据经验确定导叶叶片的进口边形状，这样导叶的轴面流道也就可以完全确定。前置导叶的水力设计参数则由泵的性能参数和叶轮叶片进口边的几何参数来确定。1.2轴面流场的计算本文采用流线曲率法来计算轴面流场。流线曲率法的实质是求解轴面速度沿准正交线的分布。参考图1所示轴面流场计算示意图，对于轴面有势流动，沿准正交线的轴面速度梯度方程可表示为[6]：式中：—轴面速度—准正交线长度r—轴面投影半径—排挤系数—轴面流线长度—轴面

8、流线切向与轴线之间夹角—准正交线法向与轴面流线切向间的夹角式（1）的通解为：（2）将式（2）沿准正交线从轮毂至轮缘积分，则可得流量和准正交线长度关系曲线以及积分常数：式中：—轮毂处的轴面速度—轮毂处准正交线长度—轮缘处准正交线长度—通过导叶的总流量考虑到在划分轴面流线时假定通过由两条轴面流线所组成的子流道流量相等，因此通过轮毂和第j条轴面流线之间的流量应该满足：（3）其中，n表示从轮毂至轮缘轴面流线条数。通过将式（3）计算值在