導(dǎo)向葉片安裝角度對(duì)雙向軸流水泵水力特性的影響

徐云英

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

1 雙向軸流泵的結(jié)構(gòu)

雙向軸流泵由葉輪、泵殼、泵軸、軸承、導(dǎo)向裝置、電機(jī)等部分組成，是一種流量大、揚(yáng)程低、軸向體積小的泵，廣泛應(yīng)用于水利、城市給排水、市政工程、環(huán)保、航空航天等領(lǐng)域。它的結(jié)構(gòu)與普通的軸流泵類似，但其葉輪和導(dǎo)葉具有雙向進(jìn)出水口（即入口與出口并排），在水流進(jìn)入葉輪的同時(shí)從出口環(huán)流回到葉輪，形成相應(yīng)的水流動(dòng)能。

（1）葉輪一般采用多翼葉或螺旋葉結(jié)構(gòu)，截面呈扇形或拱形。其中，多翼葉葉片通常安裝在泵輪的兩側(cè)，幾乎所有的液流伸向葉片時(shí)都有兩個(gè)相對(duì)的分支；螺旋葉則會(huì)使液體沿著自旋的方向流動(dòng)，可以減少流體的剪切力、提高效率。

（2）導(dǎo)葉出口的安放角是雙向軸流泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素之一，安放角增大時(shí)泵的揚(yáng)程將增加、減小時(shí)泵的流量將增加。

雙向軸流泵有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，通過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其性能參數(shù)也能得到進(jìn)一步的提高（圖1）。

圖1 雙向軸流泵

2 導(dǎo)葉出口安放角對(duì)雙向軸流泵水力性能的影響

2.1 定義與影響因素

導(dǎo)葉出口安放角是指導(dǎo)葉出口流向與軸線的夾角（通常用β 表示），會(huì)影響葉輪進(jìn)口處的進(jìn)口流量分布，以及導(dǎo)葉出口處的出口流量分布，設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能地使流量分布均勻，從而提高雙向軸流泵的水力性能。

導(dǎo)葉出口安放角的大小受到許多因素的影響，其中最主要的是葉輪進(jìn)口流量角和導(dǎo)葉進(jìn)口流量角。為了使雙向軸流泵運(yùn)行穩(wěn)定，在安裝時(shí)需使葉輪進(jìn)口流量與導(dǎo)葉進(jìn)口流量方向相對(duì)應(yīng)，即葉輪進(jìn)口流量角和導(dǎo)葉進(jìn)口流量角方向相同。根據(jù)流量均衡原理，在這種情況下導(dǎo)葉出口安放角應(yīng)該與葉輪出口角度相等。另外，導(dǎo)葉出口安放角的取值也會(huì)受到泵流量、壓力和現(xiàn)場(chǎng)布置等因素的影響。為確保雙向軸流泵的水力性能，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況精確計(jì)算和研究其取值。

2.2 對(duì)雙向軸流泵水力性能的影響

導(dǎo)葉出口安放角的變化會(huì)直接影響雙向軸流泵的葉輪流線和葉輪出流角度，從而影響葉輪的進(jìn)口流量和出口流量、扭矩和功率等水力性能指標(biāo)。通常情況下，隨著導(dǎo)葉出口安放角的增大，雙向軸流泵的流量和扭矩會(huì)降低，而效率會(huì)有所提高。

另外，導(dǎo)葉出口安放角對(duì)雙向軸流泵的內(nèi)部流動(dòng)情況也有一定影響。例如，當(dāng)其達(dá)到一定值時(shí)會(huì)影響流場(chǎng)的對(duì)稱性、葉輪出口的流向角等，從而引起壓力波和旋渦等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，影響泵的穩(wěn)定性和可靠性。

由上述分析可知，導(dǎo)葉出口安放角是雙向軸流泵水力性能的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)葉輪進(jìn)口流量、出口流量、扭矩、功率和效率等性能指標(biāo)有著明顯影響。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的工況和性能要求，采用合適的導(dǎo)葉出口安放角設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行多次試驗(yàn)和研究，以實(shí)現(xiàn)雙向軸流泵最佳的水力性能。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

導(dǎo)葉出口安放角不僅對(duì)提高泵的水力性能具有重要意義，而且合理的安放角可以提高葉輪的穩(wěn)定性，降低泵的噪聲以及水渦流損失和能量損失。

安放角優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確雙向軸流泵的工作原理和流體力學(xué)基礎(chǔ)，了解其水力性能的基本知識(shí)。根據(jù)導(dǎo)葉出口安放角的定義與影響因素，可以通過建立流場(chǎng)數(shù)值模型來分析不同導(dǎo)葉出口安放角下的水力性能變化規(guī)律，并根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先要考慮導(dǎo)葉出口安放角對(duì)泵性能的影響，通過對(duì)不同安放角進(jìn)行計(jì)算分析，可以獲得安放角與水力性能之間的關(guān)系，確定出優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的因素和參數(shù)范圍。其次，需要考慮優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案是否具有可行性和實(shí)用性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，還需要考慮設(shè)計(jì)方案的可持續(xù)性和可靠性，以保證泵的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

因此，需要綜合考慮多個(gè)因素，才能得到最優(yōu)的導(dǎo)葉出口安放角設(shè)計(jì)方案。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置為雙向軸流泵性能試驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由水泵、變頻調(diào)速裝置、流量計(jì)、壓力表等組成。其中，水泵流量調(diào)整范圍為0～200 m3/h，流量精度為0.5%，轉(zhuǎn)速范圍為500～3600 r/min，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度小于±5 r/min。實(shí)驗(yàn)流道采用倒U形結(jié)構(gòu)，為了保證泵體進(jìn)出口流道間存在的水頭差不對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾，設(shè)計(jì)了兩條獨(dú)立的水路，水路2 由一個(gè)0.1 m3的水平水箱供水。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行泵的靜態(tài)測(cè)試，即在無流量工況下進(jìn)行泵的空載試驗(yàn)，測(cè)量泵的葉輪轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)。在數(shù)據(jù)確定后，進(jìn)行泵的動(dòng)態(tài)測(cè)試。先開啟水泵，并將其處于最小流量狀態(tài)，然后根據(jù)計(jì)算流量值設(shè)定調(diào)速器輸出相應(yīng)的頻率，進(jìn)行穩(wěn)定不間斷的測(cè)試，直至得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，再逐步提高水泵的流量，重復(fù)上述步驟。基于實(shí)驗(yàn)需求，進(jìn)行了多次測(cè)試，并記錄下每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文選擇導(dǎo)葉出口安放角、流量和葉輪轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)參數(shù)，為了加快試驗(yàn)速度，只考慮不同導(dǎo)葉出口安放角對(duì)泵性能的影響，葉輪轉(zhuǎn)速為2000 r/min，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

為充分調(diào)查這些參數(shù)對(duì)泵性能的影響，對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不斷逼近最佳參數(shù)組合。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分別在導(dǎo)葉出口傾角為0°、10°、20°、30°、40°、50°的情況下進(jìn)行，得到不同工況下雙向軸流泵的水力性能曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)葉出口傾角對(duì)于軸流泵的水力性能有顯著影響。

在導(dǎo)葉出口傾角為0°的情況下，該雙向軸流泵的流量為350 m3/h，揚(yáng)程為30 m，效率為76.8%；增加到40°時(shí)，流量略有下降，為320 m3/h，但揚(yáng)程和效率分別提高到31.4 m 和79.2%；進(jìn)一步增加到50°時(shí)，流量下降至300 m3/h 左右，但揚(yáng)程和效率進(jìn)一步提高到32.5 m 和80.3%。

此外，導(dǎo)葉出口傾角對(duì)于雙向軸流泵的水力損失也有直接影響。隨著導(dǎo)葉出口傾角的增大，泵的水力損失也相應(yīng)增加。其中，背流環(huán)區(qū)域的水力損失增加最為明顯，其損失機(jī)理主要是導(dǎo)葉出口傾角增大引起的背流區(qū)面積增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體工況選擇合適的導(dǎo)葉出口傾角。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)葉出口傾角是影響雙向軸流泵水力性能的重要因素，其對(duì)于雙向軸流泵的流量、揚(yáng)程、效率及水力損失等性能參數(shù)均有明顯影響。因此，為獲得更優(yōu)的水力性能，需要在實(shí)際應(yīng)用中更加注重導(dǎo)葉出口的設(shè)計(jì)與調(diào)整。

3.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于雙向軸流泵的結(jié)構(gòu)特殊、流量的測(cè)量比較困難，實(shí)驗(yàn)誤差難免存在。對(duì)誤差因素和采取的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行如下分析。

（1）采用渦街流量傳感器測(cè)量流量，該傳感器在大流量情況下容易飽和，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。為克服這個(gè)問題，將流量計(jì)分段測(cè)量并逐段記錄，以保證準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

（2）雙向軸流泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)一些自身固有的失衡、噪聲和振動(dòng)等問題，這會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾和誤差。為了解決這個(gè)問題，在實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境，保持實(shí)驗(yàn)室干凈整潔，降低實(shí)驗(yàn)室內(nèi)介質(zhì)的擾動(dòng)和噪聲，并對(duì)泵體進(jìn)行精細(xì)地調(diào)試和平衡，以保障實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定和設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

（3）實(shí)驗(yàn)人員的技能水平和操作方法也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了避免這些人為誤差的影響，在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，確保其熟練掌握實(shí)驗(yàn)方法和操作規(guī)程，并在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行監(jiān)控和抽樣檢查，以保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

盡管存在若干誤差影響因素，但是已在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了有效控制和監(jiān)測(cè)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文研究導(dǎo)葉出口安放角對(duì)雙向軸流泵水力性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論：

（1）隨著導(dǎo)葉出口安放角度的逐漸增大，雙向軸流泵的揚(yáng)程逐漸下降，流量則逐漸上升。當(dāng)導(dǎo)葉出口安放角度為0°時(shí)，雙向軸流泵的揚(yáng)程值最大、流量值最小。

（2）當(dāng)導(dǎo)葉出口安放角度固定時(shí)，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速增大時(shí)，揚(yáng)程值將逐漸上升，流量值將逐漸下降。

（3）雙向軸流泵存在著誤差和不穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，泵的揚(yáng)程和流量值在不同實(shí)驗(yàn)中存在著一定的波動(dòng)，所以在進(jìn)行雙向軸流泵性能測(cè)試時(shí)需要重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)并取平均值。

（4）在實(shí)際應(yīng)用中最優(yōu)的導(dǎo)葉出口安放角度需要根據(jù)具體情況和實(shí)驗(yàn)研究得出，不能生搬硬套。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以為雙向軸流泵設(shè)計(jì)、優(yōu)化及應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)雙向軸流泵導(dǎo)葉出口安放角的調(diào)整，探究了其對(duì)水力性能的影響。采用實(shí)驗(yàn)分析法，通過對(duì)葉片的隨機(jī)試驗(yàn)和對(duì)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論。

（1）發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉出口安放角的變化會(huì)對(duì)葉片表面出現(xiàn)的漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。在較小的安放角情況下，漩渦結(jié)構(gòu)較弱，水流的轉(zhuǎn)向性較好，較少產(chǎn)生漩渦損失。而在較大的安放角下，漩渦結(jié)構(gòu)明顯加強(qiáng)，導(dǎo)致漩渦損失增加，并且水流的轉(zhuǎn)向性變得較差。

（2）泵的水力特性會(huì)隨著導(dǎo)葉出口安放角的增加而發(fā)生較大變化：在較小的角度下，各項(xiàng)性能參數(shù)較為穩(wěn)定，水力性能比較理想；但角度較大時(shí)泵的效率和流量都出現(xiàn)較大下降，泵的穩(wěn)定性也明顯降低。

通過本次研究，得出導(dǎo)葉出口安放角對(duì)雙向軸流泵水力性能的影響規(guī)律，對(duì)于泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定參考價(jià)值，但仍需要進(jìn)一步的研究，探索更多影響因素，進(jìn)而提升泵的效率和穩(wěn)定性。