導葉喉部面積對低比轉速多級離心泵多工況設計的影響研究

盧新全，蔣敦軍，向宏杰，朱廣智

(新界泵業技術研發中心，浙江 溫嶺 317500)

低比轉速多級離心泵廣泛應用于水利、農業灌溉、石油輸送、反滲透海水淡化等領域。而隨著科技與居民生活的提高，目前許多客戶要求產品同時滿足多工況點[1-3]特性要求，這就要求在設計過程中必須兼顧多工況點的性能趨勢，即小流量工況無駝峰且關死點揚程較高、設計點附近高效區較寬以及大流量工況無過載[3-5]。

而多級離心泵往往由于其結構尺寸的限制，葉輪外徑受到巨大限制，這就使得設計過程中葉輪各參數的調整范圍有限，而相對來說，欲要兼顧離心泵多工況的性能要求，導葉的優化設計[6-8]就顯得更為重要。而作者在參閱了大量導葉設計的文獻后，認為目前導葉喉部面積[8-10]這一影響因素在水力設計中尤為重要。

本文以一臺三級節段式離心泵為研究對象，在保持葉輪不變的前提下，以導葉喉部面積為變參數設計了三種導葉，并通過導葉快速成型進行了試驗測試，旨在尋求導葉喉部面積對離心泵多工況性能的影響規律。

1 離心泵面積比理論在徑向導葉設計中的應用

徑向導葉作為多級離心泵中重要的過流部件，負責收集上一級葉輪中的液體，并使液體以一定的速度和環量進入下一級葉輪[11]，導葉的性能對于整泵的性能有著重要的影響。 部分學者對導葉內部流場展開了相關的研究，研究表明導葉內部的渦流是降低泵水力效率的主要因素[12,13]． 為了得到導葉內較好的流場分布，部分學者對導葉內的關鍵參數進行了研究[13-15]，發現導葉的喉部面積、進口安放角、擴散角等參數對導葉的性能有較大影響，并有學者對徑向導葉水力性能同時進行多因素的優化研究。而文獻[16]通過正交試驗的方法研究發現泵體喉部面積這一因素對多級泵水力性能有重要影響。本文也在此基礎上專門對導葉喉部面積這一影響因素進行了分析研究。

由于該泵運行流量較小，因而出口絕對液流角較小，應當設計較小的正導葉進口安放角，而對于喉部面積的設計，通常根據面積比原理來確定，Anderson針對普通離心泵定義面積比系數Y:

Y=葉輪葉片間的出口面積/泵體喉部面積

而本文中關于徑向導葉的面積比系數公式為：

(1)

式中：D2為葉輪外徑；b2為葉片出口寬度；Φ2為葉輪出口排擠系數；β2為葉片出口角；z為正導葉葉片數；a3為導葉喉部平面寬度；b3為導葉進口軸面寬度。

本文中為了盡可能減少其他因素對多級泵性能的影響，故b3=8.5不變，a4、b4根據a3的取值進行微調，a4為導葉出口平面寬度，b4為正導葉葉片出口寬度，導葉葉片數z的取值必為整數，考慮到葉輪葉片數和導葉葉片數互質，由于葉輪葉片數為6，文中導葉葉片數取了5和7兩個數值。喉部面積根據原始導葉面積先進行01號導葉的設計，02和03號導葉喉部面積根據插值進行取值。即原始導葉喉部面積為182.8，由于其導葉及葉輪結構的限制，導致其額定點揚程嚴重不足，故考慮加大葉輪外徑的同時減小導葉喉部面積進行調整， 導葉喉部面積暫取為161.1，進行等差數列插值后02號與03號導葉喉部面積取為224.3和255.8。考慮到成本問題，本文僅做了3個型號的導葉進行試驗驗證。

2 多級離心泵試驗模型

模型泵為一臺低比轉速三級離心泵，其設計性能參數及葉輪幾何參數見表1、表2。

表1 要求水力性能參數Tab.1 Required hydraulic parameters

表2 葉輪幾何參數Tab.2 Impeller geometry parameters

模型泵配套電機功率為0.75 kW，國標GB/T 25409規定的電機最大軸功率為1 187 W， 且應客戶要求此泵為全揚程泵，額定點效率要高于國標效率，且關死點揚程盡可能不要低于給定的37 m。

在保持葉輪模型不變的前提下，以導葉喉部面積為變參數，進行了3個導葉的設計及快速成型。依據設計參數對徑向導葉分別進行水力設計，導葉幾何參數及三維模型見表3～表6與圖1～圖4。其中，D3為導葉基圓直徑；a3為導葉喉部平面寬度，b3為導葉進口軸面寬度；a4為導葉出口平面寬度，b4為正導葉葉片出口寬度；S為導葉喉部面積。

表3 原始導葉幾何參數Tab.3 Original diffuse geometry parameters

表4 導葉01幾何參數Tab.4 Diffuse 01 geometry parameters

表5 導葉02幾何參數Tab.5 Diffuse 02 geometry parameters

表6 導葉03幾何參數Tab.6 Diffuse 03 geometry parameters

圖1 葉輪三維圖Fig.1 3D model of impeller

圖2 導葉01三維圖Fig.2 3D model of diffuse 01

圖3 導葉02三維圖Fig.3 3D model of diffuse 02

圖4 導葉03三維圖Fig.4 3D model of diffuse 03

3 泵水力性能試驗驗證分析

3.1 不同工況下揚程分析

圖5是三種導葉流量揚程性能曲線。由圖5可以看出，隨著導葉喉部面積的增大，流量揚程曲線逐漸變得平緩，且喉部面積最大的流量揚程曲線完全包絡其他兩條曲線。分析其原因，在葉輪保持不變的前提下，導葉喉部面積越大，相應的相對流動速度就越大。水流離開葉輪的旋繞速度，即水流絕對速度的圓周分量，將由速度三角形根據葉輪圓周速度和葉輪內水流的相對速度確定，由于葉輪后彎，所以相對速度將指向葉輪圓周速度方向的反方向。由于后彎的相對速度高，合成的絕對速度的圓周分量就低，因而泵所產生的揚程也就低。

在小流量工況下，可以看出，關死點揚程隨著喉部面積的增大而增大，而02號導葉關死點揚程略高于03號導葉，這與分析結果不符，究其原因可能是測量誤差所致。且三條曲線在關死點的揚程均達到客戶要求。

在額定工況下 ，揚程是隨著喉部面積的增大而增大。且三條曲線在額定點的揚程均高于客戶要求的數值，不過由于配套電機最大軸功率的限制，暫時還不能判定三個導葉的優劣。

在大流量工況下，最大流量隨喉部面積的增大而增大，且喉部面積對最大流量的影響顯著，03號導葉在大流量的流量揚程曲線更加平緩，而01號與02號流量揚程曲線相對來說較為陡峭。

圖5 揚程性能曲線Fig.5 The performance curve of head

3.2 不同工況下效率分析

圖6是三種導葉流量效率性能曲線。由圖6可以看出，隨著導葉喉部面積的增大，最高效率點向大流量偏移，且最高效率隨著喉部面積的增大而增大顯著。顯然喉部面積最大的03號導葉效率曲線完全包絡其他兩條性能曲線。分析其原因，在葉輪保持不變的前提下，較大的泵體喉部面積，通過其的液體流速較低，從而減小了由于泵體內液流與葉輪出流因速度不一致而引起的撞擊損失和導葉內的沿程水力摩擦損失。而又由于揚程的升高，最終導致效率提高且最高效率點向大流量方向偏移。

在小流量工況下，三條流量效率曲線變化并不顯著，不過總體來說，效率仍然隨著喉部面積的增大而升高。

在額定點工況下，可以看到喉部面積最小的01號導葉效率最低，低于客戶要求的效率值。

而在大流量點，最高效率點隨喉部面積的增大而增大，且喉部面積對最高效率的影響顯著，03號導葉在大流量的流量效率曲線高效區最寬，而02號流量效率曲線高效區次之，01號流量效率曲線高效區較窄。

圖6 效率性能曲線Fig.6 The performance curve of efficiency

3.3 不同工況下軸功率分析

圖7是三種導葉流量軸功率性能曲線圖。由圖7可以看出，隨著導葉喉部面積的增大，流量軸功率曲線逐漸變得陡峭，且最大軸功率處的流量向大流量偏移。究其原因，應該是最大流量的增大，揚程提高，使得軸功率增加且軸功率曲線變得更加陡峭易導致原動機過載。由圖7可知，03號導葉最大軸功率已經大于客戶要求的最大軸功率值，引起原動機過載，而01號和02號導葉則可以滿足客戶要求。

圖7 軸功率性能曲線Fig.7 The performance curve of shaft power

而由以上分析可知，關死點揚程都滿足客戶要求，額定點揚程也滿足要求，額定點效率01號導葉不達標，而最大軸功率03號導葉超標，02號導葉雖然最大流量比客戶要求的較高，但最大軸功率并沒有引起原動機過載，故能夠滿足客戶需求。

4 結 語

(1)流量揚程曲線的陡降程度隨導葉喉部面積的增大而減小，即導葉喉部面積越小，關死點揚程越小，最大流量也越小。最高效率點隨導葉喉部面積的增大而向小流量點偏移，且最高效率隨導葉喉部面積的增大而增大。最大軸功率隨導葉喉部面積的增大而增大。在葉輪保持不變的前提下，導葉喉部面積的合理取值是影響水泵性能指標的重要因素。

(2)低比轉速離心泵徑向導葉運用面積比原理設計的技術并不成熟，本文僅僅選取了三個不同喉部面積的參數進行了試驗驗證，而根據面積比原理，葉輪與導葉喉部面積的比值存在一個最佳值，需要后續的試驗進行研究驗證。

(3)新設計的02號導葉能夠滿足客戶要求，說明導葉喉部面積對多級離心泵性能影響顯著，可以作為泵設計和預測性能最有效的方法之一。

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