1、離心泵可調前置導葉的水力設計及試驗分析桂紹波 曹樹良 梁開洪(清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,熱能工程系 北京 100084)摘要：借鑒傳統的風機前置導葉調節的經驗，并針對其采用的二維翼型在葉片輪轂處由于翼型弦長較短、對流體控制能力較差的缺陷，本文提出了一種全新的適用于離心泵前置導葉預旋調節的空間導葉水力設計方法，該方法假定前置導葉出口的流體滿足等速度矩條件，通過四次分布函數給定葉片安放角沿軸面流線的分布規律來控制葉片的空間形狀，采用逐點積分法進行葉片骨線的繪型，并在圓柱展開面上對葉片骨線雙面加厚來完成三維空間導葉的水力設計。在此基礎上，將該導葉和二維導葉分別應用于某臺工業離心

2、泵并對其在給定軸向位置和不同的預旋角下進行了離心泵性能試驗。結果表明：三維導葉能夠有效的改進二維導葉的不足，并拓寬離心泵的高效運行范圍，改善其在非設計工況下的水力性能，且與無前置導葉工況相比，最高效率可以提高2.13，從而達到了為離心泵增效節能的目的。關鍵詞：空間導葉 預旋調節 離心泵 試驗研究中圖分類號：TH3120 引言隨著國民經濟的發展，工程運行中的節能問題越來越受到重視。泵作為一種通用機械，它的應用范圍極其廣泛并消耗大量的能源。根據統計資料,泵的耗能約占世界總能耗的20%,在化工行業中高達26%,而在電力和石油行業中更是分別高達50%和59%1。離心泵更是由于實用范圍廣(包括流量、揚程

3、及對輸送介質的適應性)、體積小、結構簡單、操作容易、操作費用低等諸多優點在工農業等行業中得到廣泛應用。由于在多數情況下離心泵都在一定的工況范圍內工作，所以除了提高離心泵設計點的效率之外，尋求一種高效的工況調節方式也是一種有效的節能新途徑。*國家自然科學基金資助項目(50776052)*北京市科委2006年度科技計劃重大資助項目(D0606005040411)目前離心泵常用的工況調節方法主要有兩種：節流調節和變速調節。節流調節能量浪費問題嚴重。變速調節因需要復雜的變頻設備及其對變速范圍的要求，因此在一定程度上也限制了其使用范圍。進口預旋調節技術在50年代初應用于風機工況調節，并取得了較好的調節效

4、果2,3,4,5。正是借鑒風機中預旋調節的經驗，從80年代后期開始，國內外一些學者在水泵預旋調節方面也做了一些基礎性的研究工作，但基本上是關于混流泵和軸流泵預旋調節方面的論述。對于離心泵來說，由于其葉輪流道長而窄、葉輪內外徑相差較大等特點，目前對其加裝前置導葉進行預旋調節的相關研究還較為少見。預旋調節主要有兩個作用：（1）改變水泵特性曲線的形狀；（2）節流作用。當前置導葉預旋角較小時，通過改變導葉的預旋角使得離心泵葉輪葉片進口前除了軸向速度分量外，還有圓周速度分量，此時預旋調節占主導作用；而當預旋角較大時，由于前置導葉葉片區流道狹窄則此時節流調節占主導作用，因而調節效率相對較低。但是如果前置導

5、葉的葉型設計合理，具有良好的水力性能，且與泵葉輪進口良好匹配，則產生的流動損失和水泵葉輪進口沖擊損失也就較小，因此有望提高離心泵的水力性能。本文基于水力機械水力設計基本理論，提出了一種新的離心泵前置導葉的設計方法，并應用該方法完成了三維空間前置導葉葉片的水力設計。在此基礎上，應用該導葉和傳統的二維導葉裝置就同一臺工業離心泵進行了試驗研究，討論了前置導葉對離心泵特性曲線的影響，并對比了兩者的調節效果。本研究成果為離心泵尋求最優的工況調節方式和前置導葉的水力設計提供了有益的參考。1 前置導葉的水力設計方法前置導葉的水力設計需要依次完成：（1）確定前置導葉葉片的軸面流道形狀；（2）計算軸面流場；（3

6、）葉片繪型；（4）葉片加厚。1.1 前置導葉葉片的軸面流道形狀考慮離心泵葉輪進口吸水室形狀的影響和啟閉導葉的需要，取前置導葉的輪轂和輪緣過流面均為圓柱面，并根據經驗確定導葉葉片的進口邊形狀，這樣導葉的軸面流道也就可以完全確定。前置導葉的水力設計參數則由泵的性能參數和葉輪葉片進口邊的幾何參數來確定。 1.2 軸面流場的計算 本文采用流線曲率法來計算軸面流場。流線曲率法的實質是求解軸面速度沿準正交線的分布。參考圖1所示軸面流場計算示意圖，對于軸面有勢流動，沿準正交線的軸面速度梯度方程可表示為6：式中：軸面速度準正交線長度r軸面投影半徑排擠系數軸面流線長度軸面流線切向與軸線之間夾角準正交線法向與軸面

7、流線切向間的夾角式（1）的通解為： （2） 將式（2）沿準正交線從輪轂至輪緣積分，則可得流量和準正交線長度關系曲線以及積分常數：式中：輪轂處的軸面速度輪轂處準正交線長度輪緣處準正交線長度通過導葉的總流量考慮到在劃分軸面流線時假定通過由兩條軸面流線所組成的子流道流量相等，因此通過輪轂和第j條軸面流線之間的流量應該滿足： （3）其中，n表示從輪轂至輪緣軸面流線條數。通過將式（3）計算值在曲線上進行插值來調整前次計算的軸面流線與準正交線的交點坐標以不斷修正軸面流線形狀，并在新的軸面流網中重新求解軸面速度梯度方程（1）式。如此反復，直到計算收斂為止，從而最終確定軸面流網，完成軸面流場的迭代計算。圖1

8、軸面流場計算示意圖1.3 前置導葉葉片繪型 在葉片無限多、無限薄的軸對稱假設下，通過給定葉片安放角沿軸面流線的分布規律并積分葉片的骨線微分方程完成葉片繪型。空間葉片的骨線微分方程可表示如下： （4）對（4）式在葉片區積分，則有： （5）其中：葉片包角葉片安放角葉片區軸面流線長為完成方程（5）的積分，則需要給定葉片安放角沿軸面流線的分布規律和葉片進出口邊的安放角和值。定義葉片進出口安放角差值為：。則葉片安放角沿軸面流線的變化規律可用下式描述： （6）式（6）中為一無量綱的葉片安放角分布函數，通過該函數來調整葉片的空間幾何形狀，且，可由一四階多項式描述： （7）式（7）中表示葉片區軸面流線的相對長

9、度，a、b、c、d和e為系數，其值可由下列條件確定：在葉片進口和出口，葉片安放角應滿足給定值，即，；在葉片進口附近，為使流動平滑過渡，水力損失較小，當x0時，取；在葉片出口，為滿足條件，當x=1時，取；為調整葉片安放角的分布規律，取一內點，使為給定值。在本文的設計中，考慮導葉葉片進口為軸向流，為減少導葉進口沖擊損失，取葉片進口安放角。下面重點討論前置導葉出口邊安放角的確定方法。傳統的用于風機前置導葉預旋調節的葉片，其截面形狀均為二維平面葉柵，因此通常直接取為90°。但此類導葉主要有三個缺點：其一，由于結構上的限制使其在輪轂處的翼型弦長較短，因而控制水流方向能力較差；其二，在離心泵葉輪

10、葉片的水力設計時，為改善其在大流量工況下的水力性能，通常在葉輪葉片進口安放角的設計計算值上加3°5°的沖角給予修正，因此如果配置二維前置導葉，離心泵在設計流量下運行時在葉輪進口必然產生較大的沖擊損失；其三，離心泵在小流量工況運行時，葉輪進口處的流體質點由于受到回流的影響，在其葉片進口附近具有一定的圓周速度分量，且該速度沿軸向和徑向分布不均7，另一方面又由于葉輪外徑和葉片出口安放角一般是相等的，因此葉輪流道內每條軸面流線上的流體質點在葉片區所獲得的能量必然不等，從而導致在葉輪葉片出口位置出現回流。當葉輪進口前布置二維導葉后，雖有助于改善進口流場分布而緩解進口回流損失，但當二維

11、前置導葉位于非0°的預旋角時，流體質點在葉輪進口仍然不滿足等環量條件，所以葉輪出口的回流損失仍然沒能從根本上去除。圖2 前置導葉出口及葉輪進口速度分布針對以上問題，在本文中的確定采用如下方法。如圖2所示，表示無前置導葉時離心泵在設計流量下葉輪進口的速度三角形，表示安裝前置導葉后在設計流量下葉輪進口滿足無沖擊進口時的速度三角形。假定位于平均軸面流線上的流體質點經三維前置導葉預旋作用后，在設計流量下離心泵葉輪進口滿足無沖擊條件，如所示。即有： （8）其中：為葉輪葉片進口安放角，為設計流量下葉輪進口軸面速度。且前置導葉出口至葉輪進口無外力矩作用，因此： （9）在前置導葉出口，由導葉出口速度

12、三角形可得： （10）其中，為平均軸面流線上導葉出口的安放角，為設計流量下前置導葉出口軸面速度。根據式(8)-式(10)，則可以確定。其他軸面流線上的導葉葉片出口安放角則可通過假定液流在導葉出口滿足等環量條件來計算，即令滿足： （11）綜合上述條件，前置導葉葉片安放角的分布規律可完全確定。本文設計導葉從輪轂到輪緣共11條軸面流線上葉片安放角的分布規律如圖3所示。圖3 葉片安放角沿相對軸面流線長的分布規律1.4前置導葉葉片加厚及三維造型在葉片的空間骨線完全確定后，將葉片表面的空間流線在圓柱面上展開，并采用雙面加厚的方法，對葉片進行加厚，從而確定葉片吸力面和壓力面的空間幾何形狀。為了使導葉具有良好

13、的水力性能，采用如圖4所示的RAF-6空氣動力學翼型的厚度分布規律進行加厚，翼型的最大厚度按照強度和工藝要求確定，在本文中取葉片最大厚度為。加厚完成之后，為改善葉片頭部和尾部形狀，對頭部和尾部進行修圓處理，最終完成三維葉片的水力設計。圖5給出了不同半徑位置上三維導葉的翼型截面形狀。圖4 葉片厚度沿相對軸面流線長的分布規律(a) Hub(b) Midspan(c) Tip圖5 不同半徑位置前置導葉翼型截面圖2 前置導葉離心泵的能量特性試驗2.1試驗裝置為驗證本文前置導葉設計方法的有效性，按照本文方法設計加工了一套離心泵三維前置導葉裝置，并對該裝置和一臺離心泵進行了外特性試驗驗證。試驗研究對象主要

14、由前置導葉裝置和XA150/32型離心泵組成。該離心泵的結構尺寸及轉速如表1所示。將按上述方法設計的6枚空間前置導葉沿管壁周向均勻布置于試驗離心泵的吸水管中，取前置導葉出口至葉輪進口的軸向距離為6倍前置導葉的平均弦長，且在本次試驗過程中保持前置導葉的軸向位置不變。通過調節前置導葉的控制機構來改變前置導葉的預旋角度，調節完畢后采用鎖緊裝置將6枚前置導葉固定以確保試驗過程中導葉預旋角不變。定義前置導葉進口邊葉片骨線的切向與軸向一致時預旋角為0°，當前置導葉出口的圓周速度和葉輪轉向一致時，則稱為正預旋，此時前置導葉預旋角，反之則稱為負預旋。表1.XA150/32型試驗離心泵結構和轉速吸入管

15、直徑葉片進口直徑葉輪外徑葉片數轉速D0/mmD1/mmD2/mmZn/ rmin120014032961450試驗裝置示意圖如圖6所示。水泵進口取壓孔（真空表安裝位置）位于與離心泵前置導葉調節裝置進口法蘭同心同直徑的吸水管上游，且距離該法蘭面兩倍進口管徑；出口取壓孔(壓力表安裝位置)設在距離離心泵出口法蘭面兩倍出口管徑的下游；電磁流量計安裝于離心泵出水管中，且水平布置，其前后直管段長度滿足大于5倍管路直徑的安裝要求；離心泵的軸功率和轉速則采用扭矩轉速儀測量。實驗臺系統綜合誤差。圖6前置導葉離心泵試驗裝置示意圖2.2 試驗結果及分析無前置導葉時，試驗離心泵的能量特性曲線如圖7所示。泵的最高效率為

16、76.63%，對應的流量為342.43 m3/h，揚程為30.1 m。圖7 無前置導葉時試驗離心泵能量特性曲線2.2.1前置導葉對離心泵效率的影響圖8給出了前置導葉在正預旋工況、不同預旋角度時的流量效率曲線。由圖可見，當前置導葉預旋角為0°時，此時測得試驗離心泵的效率最高，其值為78.76，比未安裝前置導葉離心泵的效率值高出2.13。隨著正預旋角度的不斷增加，離心泵最優工況點的位置逐漸向小流量區移動，且最高效率值逐漸降低，但均比相同流量工況下無前置導葉時要高。同時由該圖還可以看出，隨著正預旋角度的增加，離心泵在小流量工況下的運行效率逐漸提高，說明正預旋調節能夠改善離心泵在小流量工況運

17、行時的水力性能。其原因可能是由于在正預旋工況下，三維前置導葉能夠有效的抑制在小流量工況下葉輪進口的回流，改善了葉輪進口的流動狀態，從而減小了葉輪進口和出口的回流損失。圖8 正預旋時試驗離心泵流量效率曲線圖9 負預旋時試驗離心泵流量效率曲線圖9給出了前置導葉在負預旋工況下、不同預旋角度時的流量效率曲線。由圖9可以看出，當預旋角度從0°變化至-24°時，離心泵最優工況點的位置的變化范圍為343.23351.74 m3/h，即最高效率點逐漸向大流量區移動，且效率曲線變得相對平坦，高效區的范圍與正預旋相比要寬。繼續增加負預旋角，最優點的位置則開始向小流量區偏移，且最高效率值隨著負預

18、旋角度的增加而迅速降低，說明適當的負預旋能夠提高離心泵的運行效率。究其原因，則可能主要是由于在大角度的負預旋工況時，離心泵葉輪內部的漩渦損失和葉輪表面摩擦損失加大而導致軸功率急劇上升，因而效率明顯下降。2.2.2 前置導葉對離心泵揚程特性的影響圖10給出了試驗離心泵在不同的前置導葉預旋角下的綜合特性曲線。由該圖可見，對于揚程特性曲線而言，在正預旋工況，當前置導葉預旋角從0°變化至60°揚程曲線逐漸向左下方偏移；而負預旋工況時，當前置導葉預旋角從0°變化至-48°時，揚程曲線則向右上方偏移，但移動的趨勢與正預旋相比則相對較小；繼續加大負預旋角至-60

19、76;時，揚程曲線則急劇下降。由此可見，適當的負預旋可以提高離心泵的揚程，但負預旋角度過大時，離心泵的揚程反而降低。另外，由圖10還可以看出，安裝三維空間前置導葉后，XA150/32型離心泵高效區范圍拓寬為：揚程2831.2 m，流量310378 m3/h，且在此范圍內該泵實際運行效率，均高于無前置導葉調節時離心泵的最高效率值。由此可知，本文設計的離心泵三維前置導葉能夠在較大范圍內調節離心泵運行工況點，且能夠有效的拓寬離心泵的高效運行范圍。圖10 三維前置導葉離心泵綜合特性曲線為了對比本文設計的三維空間導葉和傳統的二維導葉的調節效果，本文同時還對配置二維前置導葉時XA150/32型離心泵的外特

20、性進行了試驗研究,且該二維導葉的基本幾何參數和厚度分布規律和三維空間導葉一致。圖11給出了二維前置導葉和三維前置導葉在不同預旋角度下的離心泵最高效率值的對比情況。由該圖表明，除較大正預旋角以外，裝置三維前置導葉時離心泵的效率明顯較裝置二維前置導葉時要高。且在0°預旋角時，兩者效率差值最大，其差值為1.48。由此可見，本文設計的三維前置導葉能夠較好的改善二維導葉所存在的不足，從而也有效的證明了本文所提出的設計方法的有效性和可靠性。圖11 三維和二維前置導葉最高效率值對比3 結論本文基于水力機械水力設計基本理論和方法，提出了一種控制前置導葉出口的流體介質滿足等環量條件的新型三維前置導葉水

21、力設計思想，較好的改進了傳統的風機前置導葉調節中所采用的二維翼型的不足。前置導葉的水力設計采用流線曲率法求解軸面流動，逐點積分法進行葉片繪型，圓柱展開面上對葉片的空間骨線進行加厚和葉片頭部、尾部的修圓處理。將設計完成的三維空間導葉安裝在XA150/32型離心泵進口前，試驗測量了前置導葉在給定軸向位置、不同預旋角度下離心泵的能量特性。試驗結果表明：(1) 通過改變離心泵葉輪進口前三維前置導葉的預旋角能夠有效的擴大離心泵運行工況點的調節范圍。(2) 相對于無預旋而言，正預旋調節時，離心泵揚程曲線向左下方偏移，負預旋時則向右上方偏移，并且移動的趨勢與正預旋相比相對較小，且過大的負預旋角會導致揚程急劇

22、下降。(3) 對于效率特性而言，正預旋時，離心泵最優工況點逐漸向小流量區移動，且最高效率值逐漸降低，但均比相同流量下、無前置導葉時離心泵的效率要高；負預旋時離心泵最優工況點在較小負預旋角度時會稍往大流量區偏移，且高效區范圍與正預旋相比要寬。(4) 當導葉預旋角為0°時離心泵所能達到的最高效率為78.76，與無前置導葉時離心泵的最高效率相比提高了2.13，同時能夠保證在揚程2831.2 m、流量310378 m3/h范圍內其效率，因此加裝前置導葉能夠有效的拓寬離心泵的高效運行區，改善離心泵在非設計工況下的水力性能，從而給離心泵節能給出了一條新的途徑。參 考 文 獻1 袁建平,張改成,陳

23、翔.離心泵運行調節能耗分析.排灌機械.2006:24(5):44-472 Coppinger M, Swain E. Performance prediction of an industrial centrifugal compressor inlet guide vane system C.Proceeding of the institution of mechanical engineers, 2000, 214(2):1531643 Fukutomi J, Nakamura R. Performance and internal flow of cross-flow fan with

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26、YDRAULIC DESIGN AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OFTHE ADJUSTABLE INLET GUIDE VANE FOR THE CENTRIFUGAL PUMPGUI Shaobo CAO Shuliang Liang Kaihong(Key Laboratory for River Dynamics and Hydraulic Engineering, Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084)Abstract: In view of the drawb

27、ack of the two dimensional wing which was used in the traditional adjustment for the blower and profiting from the experience, this article proposed one kind of new hydraulic design method for the inlet guide vane, and it was supposed that the fluid at the outlet of the inlet guide vane satisfied th

28、e uniform velocity moment condition. The spatial shape of the blade was controlled by the distributed rule of the blades stagger angle along the meridional streamline which could be determined by a quarternary polynomial, and point-by-point integration method was adopted to draw the bone line of the blade, then the blade was two sided thicken on the unwrapped cylinder face, so th