“S”翼型葉片雙向軸流泵設(shè)計(jì)

徐寶輝

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“S”翼型葉片雙向軸流泵設(shè)計(jì)

徐寶輝

（浙江佳力科技股份有限公司，浙江 杭州 311241）

我國(guó)沿海以及沿江湖濱地帶泵站的揚(yáng)程不高，軸流泵比較普及，大多數(shù)的泵站通常都需要具備雙向抽水功能。如果對(duì)機(jī)組進(jìn)行直接性反轉(zhuǎn)，則能使反向抽水有效實(shí)現(xiàn)，能夠有效簡(jiǎn)化泵站運(yùn)行管理，提高經(jīng)濟(jì)效益。“S”翼型葉片雙向軸流泵是具有雙向抽水功能的新系列泵型。在對(duì)“S”翼型葉片雙向軸流泵進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以同時(shí)兼顧反向性能，從而使其變成低揚(yáng)程雙向泵站設(shè)計(jì)的最佳泵設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐研究表明，有著近似的正反性能的雙向軸流泵在低揚(yáng)程雙向泵站中十分適用。

“S”翼型葉片；軸流泵；雙向運(yùn)行；氣蝕

在對(duì)單向翼型普通軸流泵進(jìn)行使用的過(guò)程中，反轉(zhuǎn)葉輪的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行反向抽水，但因?yàn)槿~片翼型在這一過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)反拱狀態(tài)，導(dǎo)葉會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口水流和葉輪轉(zhuǎn)向產(chǎn)生相同的進(jìn)口預(yù)旋，在很大程度上降低了葉輪的氣蝕性能與能量，如果葉片脫流比較嚴(yán)重，就會(huì)產(chǎn)生十分激烈的噪聲、振動(dòng)、氣蝕等，導(dǎo)致工程在運(yùn)作過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。想要使軸流泵葉輪的反向反轉(zhuǎn)性能得到有效提升，要運(yùn)用升力法與簡(jiǎn)化三元流動(dòng)模型有效設(shè)計(jì)雙向軸流泵。

對(duì)常規(guī)軸留泵和“S”翼型葉片雙向軸流泵的正向性能進(jìn)行比較，最高的效率點(diǎn)降低了2%～4%，有著相同的汽蝕性能。重點(diǎn)探討了“S”翼型葉片雙向軸流泵的設(shè)計(jì)方案，希望對(duì)相關(guān)工作者帶來(lái)一定的參考。

1 雙向泵與單向泵性能對(duì)比

在對(duì)常規(guī)翼型的軸流泵進(jìn)行使用的過(guò)程中，如果直接反轉(zhuǎn)葉輪，則會(huì)降低抽水時(shí)的流量，降低最大揚(yáng)程與最高效率，尤其會(huì)降低氣蝕性能。想要讓葉輪正反性能一致，需要反向?qū)ΨQ的翼型。在設(shè)計(jì)雙向泵的過(guò)程中，可以對(duì)雙頭雙機(jī)翼反向?qū)ΨQ翼型、雙圓弧“S”型翼型、平板翼型進(jìn)行有效運(yùn)用。因?yàn)槠桨逡硇托阅艿娜笔ВǔＧ闆r下不予使用。沖角能夠提供對(duì)稱翼型的升力，通常情況下升力不能高于0.8，所以，雙向泵揚(yáng)程通常情況下不能高于5 m，這樣才能使氣蝕性能與工程要求相符。想要與常規(guī)單向葉輪進(jìn)行對(duì)比，需要在標(biāo)準(zhǔn)泵中對(duì)雙向葉輪開(kāi)展單向試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程分為有、無(wú)導(dǎo)葉兩種情況，有導(dǎo)葉最高效率為78%，常規(guī)單向泵的流量揚(yáng)程接近，最高效率為81%～83%.造成這種狀況的主要是常規(guī)翼型升阻高于反向?qū)ΨQ翼型升阻，相比于常規(guī)翼型，反向?qū)ΨQ翼阻力系數(shù)一致，升力系數(shù)有所上升。在對(duì)雙向軸流泵進(jìn)行分析的過(guò)程中，將一方抽水歸為正向。在進(jìn)行正向抽水的過(guò)程中，將導(dǎo)葉布置于葉輪上游方向，稱之為前導(dǎo)葉，將導(dǎo)葉布置在葉輪的下游方向，稱之為后導(dǎo)葉。如果出水與進(jìn)水流道接近，并不使用前后導(dǎo)葉，則正方向性能一致。在理想狀態(tài)中，裝置最高效率為70%～72%.葉輪需要一定的結(jié)構(gòu)予以支撐，這些結(jié)構(gòu)在支撐的過(guò)程中充當(dāng)了短直導(dǎo)葉，會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生相應(yīng)的影響。由于進(jìn)出水流道所產(chǎn)生的影響，雙向裝置只可達(dá)到62%～66%的效率，長(zhǎng)時(shí)間的灌溉會(huì)對(duì)效率有一定的要求，短時(shí)間排澇對(duì)流量有一定的要求，所以，可以通過(guò)對(duì)前后導(dǎo)葉的設(shè)置，使正反向裝置性能得到有效調(diào)節(jié)。

2 雙向軸流泵翼型的設(shè)計(jì)

如果反轉(zhuǎn)軸流泵、反向抽水，則以往的葉片進(jìn)口邊會(huì)變?yōu)槌隹谶叄酝囊硇蛪毫γ鏁?huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲γ妗Ｈ绻D(zhuǎn)動(dòng)方向以及水流固定，則會(huì)使葉片進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)。想要保證葉輪擁有反向以及正向的性能，應(yīng)當(dāng)對(duì)以下2種翼型進(jìn)行有效使用：①平板翼型。該翼型的中線為直線。②“S”形的翼型。該翼型的中線為直線。平板翼型的繞流較差，性能并不好，對(duì)其厚度進(jìn)行調(diào)整，更改成為流線型的翼型，在雙向葉片之中進(jìn)行有效使用。根據(jù)模型開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，其能量性能相比于“S”形翼型葉片較為相似，但氣蝕性能較差。

3 雙向軸流泵葉輪的設(shè)計(jì)

對(duì)簡(jiǎn)化三元流動(dòng)模型進(jìn)行有效使用，轉(zhuǎn)輪出口分布的平均速度與徑向簡(jiǎn)單的平衡方程式為：

式（1）中：u為圓周分速；Z為軸向流速；為半徑；為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，=2π/60；R為葉輪效率。

如果給定揚(yáng)程與流量，則環(huán)量的分布狀況決定了式（1）之中的軸向流速分布。對(duì)葉片外緣環(huán)量進(jìn)行有效降低對(duì)提升氣蝕性能有著十分重要的作用，對(duì)效率影響并不大，外緣環(huán)量在通常情況下為0.95.對(duì)葉片輪轂環(huán)量進(jìn)行有效降低后，能夠使葉片根部扭曲過(guò)大的問(wèn)題得以解決，在通常情況下，輪轂環(huán)量通常為0.8，從而使輪轂最大安放角不高于45°。

雙向軸流泵有著非常低的揚(yáng)程，在對(duì)升力法進(jìn)行使用的過(guò)程中，能夠使快速造型得到有效實(shí)現(xiàn)。針對(duì)推薦翼型，升力系數(shù)根據(jù)以下公式來(lái)進(jìn)行估算：

ZMS3.5模型設(shè)計(jì)參數(shù)如下：葉片數(shù)=4，輪轂比/=0.467，轉(zhuǎn)速=1 450 r/min，揚(yáng)程=3.6 m，流量=380 l/s。

4 “S”翼型葉片雙向軸流泵模型試驗(yàn)

ZMS3.5水力模型在水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之中的高精度水利機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)泵段試驗(yàn)裝置的有效運(yùn)用來(lái)開(kāi)展測(cè)試工作，在通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)測(cè)試效率的過(guò)程中，其綜合誤差為±0.39%.可對(duì)以下2種試驗(yàn)方案進(jìn)行有效運(yùn)用：①不使用導(dǎo)葉。②運(yùn)用比轉(zhuǎn)數(shù)s=1 250的常規(guī)軸流泵中的導(dǎo)葉來(lái)開(kāi)展導(dǎo)葉實(shí)驗(yàn)。

在運(yùn)用導(dǎo)葉的過(guò)程中，其最高效率為78%，揚(yáng)程參數(shù)與高效點(diǎn)流量與設(shè)計(jì)值較為接近，從而體現(xiàn)了此種設(shè)計(jì)手段更具可靠性。相似比轉(zhuǎn)數(shù)的普通單項(xiàng)軸流泵，其最高效率能達(dá)到80%～82%，所以，在使用“S”翼型設(shè)計(jì)軸流泵時(shí)，相比于以往單向翼型的軸流泵，效率會(huì)低上2%～4%.在沒(méi)有導(dǎo)葉的情況下，模型泵的有著71%的工作效率。因此，在雙向泵之中，導(dǎo)葉能夠?qū)⒋蠹s6%的能量回收。

因?yàn)椤癝”翼型葉片相互對(duì)稱，所以，葉輪正反向性能具有一致性。將反向性能測(cè)試放在泵段上來(lái)實(shí)施，無(wú)法確保與正向過(guò)程中進(jìn)口段中的流場(chǎng)條件相同，所以，沒(méi)有實(shí)施的意義。雙向葉輪需要與實(shí)際的工程相結(jié)合，將泵裝置試驗(yàn)放置在進(jìn)出水流道上來(lái)實(shí)施，才具備真正的實(shí)施意義。因?yàn)檠b置結(jié)構(gòu)的相應(yīng)需求，應(yīng)將導(dǎo)葉布置在另一側(cè)，這會(huì)導(dǎo)致正、反向性能出現(xiàn)一定的偏差。結(jié)合水流動(dòng)的方向，通常情況下將導(dǎo)葉所運(yùn)行的方向歸為正方向，相應(yīng)的，泵站運(yùn)作過(guò)程中的靜揚(yáng)程也得到了進(jìn)一步的提升，使工況的運(yùn)作時(shí)間得到有效延長(zhǎng)。對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行調(diào)整，可以協(xié)調(diào)雙向性能，使其滿足泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求。

通常情況下，常規(guī)型的單向軸流泵其氣蝕性能的最優(yōu)點(diǎn)往往與高效點(diǎn)相接近，但是“S”翼型雙向軸流泵的氣蝕性能的最優(yōu)點(diǎn)與零揚(yáng)程工況點(diǎn)相接近。從高效點(diǎn)來(lái)看，雙向泵所具備的氣蝕性能能夠達(dá)到單向泵的水準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在對(duì)“S”翼型設(shè)計(jì)雙向軸流泵葉輪進(jìn)行有效使用的過(guò)程中，與以往的常規(guī)型單向翼型軸流泵進(jìn)行比較，效率會(huì)降低2%～4%，有著一致的氣蝕性能，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在雙向泵葉輪擁有一致的正向性能與反向性能；在對(duì)升力法設(shè)計(jì)雙向泵以及簡(jiǎn)化三元流動(dòng)模型進(jìn)行有效使用的過(guò)程中，對(duì)于所推薦出的“S”翼型，通過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證證明其具備一定的可靠性；雙向泵可以在揚(yáng)程為0的周邊穩(wěn)定、安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)雙向泵葉輪的過(guò)程中，與常規(guī)的流量系數(shù)相同；在優(yōu)化雙向葉輪的過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際進(jìn)出水流道研究，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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2095－6835（2018）18－0142－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.142

〔編輯：張思楠〕