“S”翼型葉片雙向軸流泵設(shè)計

徐寶輝

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“S”翼型葉片雙向軸流泵設(shè)計

徐寶輝

（浙江佳力科技股份有限公司，浙江 杭州 311241）

我國沿海以及沿江湖濱地帶泵站的揚程不高，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。如果對機組進行直接性反轉(zhuǎn)，則能使反向抽水有效實現(xiàn)，能夠有效簡化泵站運行管理，提高經(jīng)濟效益?！癝”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“S”翼型葉片雙向軸流泵進行設(shè)計的過程中，可以同時兼顧反向性能，從而使其變成低揚程雙向泵站設(shè)計的最佳泵設(shè)計方案。實踐研究表明，有著近似的正反性能的雙向軸流泵在低揚程雙向泵站中十分適用。

“S”翼型葉片；軸流泵；雙向運行；氣蝕

在對單向翼型普通軸流泵進行使用的過程中，反轉(zhuǎn)葉輪的過程中應(yīng)當(dāng)進行反向抽水，但因為葉片翼型在這一過程中會出現(xiàn)反拱狀態(tài)，導(dǎo)葉會導(dǎo)致進口水流和葉輪轉(zhuǎn)向產(chǎn)生相同的進口預(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，就會產(chǎn)生十分激烈的噪聲、振動、氣蝕等，導(dǎo)致工程在運作過程中出現(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，要運用升力法與簡化三元流動模型有效設(shè)計雙向軸流泵。

對常規(guī)軸留泵和“S”翼型葉片雙向軸流泵的正向性能進行比較，最高的效率點降低了2%～4%，有著相同的汽蝕性能。重點探討了“S”翼型葉片雙向軸流泵的設(shè)計方案，希望對相關(guān)工作者帶來一定的參考。

1 雙向泵與單向泵性能對比

在對常規(guī)翼型的軸流泵進行使用的過程中，如果直接反轉(zhuǎn)葉輪，則會降低抽水時的流量，降低最大揚程與最高效率，尤其會降低氣蝕性能。想要讓葉輪正反性能一致，需要反向?qū)ΨQ的翼型。在設(shè)計雙向泵的過程中，可以對雙頭雙機翼反向?qū)ΨQ翼型、雙圓弧“S”型翼型、平板翼型進行有效運用。因為平板翼型性能的缺失，通常情況下不予使用。沖角能夠提供對稱翼型的升力，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)單向葉輪進行對比，需要在標(biāo)準(zhǔn)泵中對雙向葉輪開展單向試驗。試驗過程分為有、無導(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。在對雙向軸流泵進行分析的過程中，將一方抽水歸為正向。在進行正向抽水的過程中，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)在支撐的過程中充當(dāng)了短直導(dǎo)葉，會對性能產(chǎn)生相應(yīng)的影響。由于進出水流道所產(chǎn)生的影響，雙向裝置只可達到62%～66%的效率，長時間的灌溉會對效率有一定的要求，短時間排澇對流量有一定的要求，所以，可以通過對前后導(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

如果反轉(zhuǎn)軸流泵、反向抽水，則以往的葉片進口邊會變?yōu)槌隹谶?，以往的翼型壓力面會轉(zhuǎn)變?yōu)槲γ妗Ｈ绻D(zhuǎn)動方向以及水流固定，則會使葉片進行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)對以下2種翼型進行有效使用：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，對其厚度進行調(diào)整，更改成為流線型的翼型，在雙向葉片之中進行有效使用。根據(jù)模型開展實驗，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

對簡化三元流動模型進行有效使用，轉(zhuǎn)輪出口分布的平均速度與徑向簡單的平衡方程式為：

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。對葉片外緣環(huán)量進行有效降低對提升氣蝕性能有著十分重要的作用，對效率影響并不大，外緣環(huán)量在通常情況下為0.95.對葉片輪轂環(huán)量進行有效降低后，能夠使葉片根部扭曲過大的問題得以解決，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程，在對升力法進行使用的過程中，能夠使快速造型得到有效實現(xiàn)。針對推薦翼型，升力系數(shù)根據(jù)以下公式來進行估算：

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

4 “S”翼型葉片雙向軸流泵模型試驗

ZMS3.5水力模型在水利動力工程重點實驗室之中的高精度水利機械試驗臺上，通過對標(biāo)準(zhǔn)泵段試驗裝置的有效運用來開展測試工作，在通過試驗臺來測試效率的過程中，其綜合誤差為±0.39%.可對以下2種試驗方案進行有效運用：①不使用導(dǎo)葉。②運用比轉(zhuǎn)數(shù)s=1 250的常規(guī)軸流泵中的導(dǎo)葉來開展導(dǎo)葉實驗。

在運用導(dǎo)葉的過程中，其最高效率為78%，揚程參數(shù)與高效點流量與設(shè)計值較為接近，從而體現(xiàn)了此種設(shè)計手段更具可靠性。相似比轉(zhuǎn)數(shù)的普通單項軸流泵，其最高效率能達到80%～82%，所以，在使用“S”翼型設(shè)計軸流泵時，相比于以往單向翼型的軸流泵，效率會低上2%～4%.在沒有導(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。

因為“S”翼型葉片相互對稱，所以，葉輪正反向性能具有一致性。將反向性能測試放在泵段上來實施，無法確保與正向過程中進口段中的流場條件相同，所以，沒有實施的意義。雙向葉輪需要與實際的工程相結(jié)合，將泵裝置試驗放置在進出水流道上來實施，才具備真正的實施意義。因為裝置結(jié)構(gòu)的相應(yīng)需求，應(yīng)將導(dǎo)葉布置在另一側(cè)，這會導(dǎo)致正、反向性能出現(xiàn)一定的偏差。結(jié)合水流動的方向，通常情況下將導(dǎo)葉所運行的方向歸為正方向，相應(yīng)的，泵站運作過程中的靜揚程也得到了進一步的提升，使工況的運作時間得到有效延長。對導(dǎo)葉進行調(diào)整，可以協(xié)調(diào)雙向性能，使其滿足泵站經(jīng)濟運行的需求。

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

5 結(jié)束語

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

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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〕