盧新全，蔣敦軍，向宏杰，朱廣智

(新界泵業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，浙江 溫嶺 317500)

低比轉(zhuǎn)速多級離心泵廣泛應(yīng)用于水利、農(nóng)業(yè)灌溉、石油輸送、反滲透海水淡化等領(lǐng)域。而隨著科技與居民生活的提高，目前許多客戶要求產(chǎn)品同時滿足多工況點(diǎn)[1-3]特性要求，這就要求在設(shè)計過程中必須兼顧多工況點(diǎn)的性能趨勢，即小流量工況無駝峰且關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程較高、設(shè)計點(diǎn)附近高效區(qū)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(jié)構(gòu)尺寸的限制，葉輪外徑受到巨大限制，這就使得設(shè)計過程中葉輪各參數(shù)的調(diào)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(dǎo)葉的優(yōu)化設(shè)計[6-8]就顯得更為重要。而作者在參閱了大量導(dǎo)葉設(shè)計的文獻(xiàn)后，認(rèn)為目前導(dǎo)葉喉部面積[8-10]這一影響因素在水力設(shè)計中尤為重要。

本文以一臺三級節(jié)段式離心泵為研究對象，在保持葉輪不變的前提下，以導(dǎo)葉喉部面積為變參數(shù)設(shè)計了三種導(dǎo)葉，并通過導(dǎo)葉快速成型進(jìn)行了試驗(yàn)測試，旨在尋求導(dǎo)葉喉部面積對離心泵多工況性能的影響規(guī)律。

1 離心泵面積比理論在徑向?qū)~設(shè)計中的應(yīng)用

徑向?qū)~作為多級離心泵中重要的過流部件，負(fù)責(zé)收集上一級葉輪中的液體，并使液體以一定的速度和環(huán)量進(jìn)入下一級葉輪[11]，導(dǎo)葉的性能對于整泵的性能有著重要的影響。 部分學(xué)者對導(dǎo)葉內(nèi)部流場展開了相關(guān)的研究，研究表明導(dǎo)葉內(nèi)部的渦流是降低泵水力效率的主要因素[12,13]． 為了得到導(dǎo)葉內(nèi)較好的流場分布，部分學(xué)者對導(dǎo)葉內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究[13-15]，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉的喉部面積、進(jìn)口安放角、擴(kuò)散角等參數(shù)對導(dǎo)葉的性能有較大影響，并有學(xué)者對徑向?qū)~水力性能同時進(jìn)行多因素的優(yōu)化研究。而文獻(xiàn)[16]通過正交試驗(yàn)的方法研究發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上專門對導(dǎo)葉喉部面積這一影響因素進(jìn)行了分析研究。

由于該泵運(yùn)行流量較小，因而出口絕對液流角較小，應(yīng)當(dāng)設(shè)計較小的正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角，而對于喉部面積的設(shè)計，通常根據(jù)面積比原理來確定，Anderson針對普通離心泵定義面積比系數(shù)Y:

Y=葉輪葉片間的出口面積/泵體喉部面積

而本文中關(guān)于徑向?qū)~的面積比系數(shù)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(shù)；β2為葉片出口角；z為正導(dǎo)葉葉片數(shù)；a3為導(dǎo)葉喉部平面寬度；b3為導(dǎo)葉進(jìn)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(jù)a3的取值進(jìn)行微調(diào)，a4為導(dǎo)葉出口平面寬度，b4為正導(dǎo)葉葉片出口寬度，導(dǎo)葉葉片數(shù)z的取值必為整數(shù)，考慮到葉輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉葉片數(shù)互質(zhì)，由于葉輪葉片數(shù)為6，文中導(dǎo)葉葉片數(shù)取了5和7兩個數(shù)值。喉部面積根據(jù)原始導(dǎo)葉面積先進(jìn)行01號導(dǎo)葉的設(shè)計，02和03號導(dǎo)葉喉部面積根據(jù)插值進(jìn)行取值。即原始導(dǎo)葉喉部面積為182.8，由于其導(dǎo)葉及葉輪結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致其額定點(diǎn)揚(yáng)程嚴(yán)重不足，故考慮加大葉輪外徑的同時減小導(dǎo)葉喉部面積進(jìn)行調(diào)整， 導(dǎo)葉喉部面積暫取為161.1，進(jìn)行等差數(shù)列插值后02號與03號導(dǎo)葉喉部面積取為224.3和255.8?？紤]到成本問題，本文僅做了3個型號的導(dǎo)葉進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 多級離心泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

模型泵為一臺低比轉(zhuǎn)速三級離心泵，其設(shè)計性能參數(shù)及葉輪幾何參數(shù)見表1、表2。

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

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

模型泵配套電機(jī)功率為0.75 kW，國標(biāo)GB/T 25409規(guī)定的電機(jī)最大軸功率為1 187 W， 且應(yīng)客戶要求此泵為全揚(yáng)程泵，額定點(diǎn)效率要高于國標(biāo)效率，且關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)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(dǎo)葉喉部面積為變參數(shù)，進(jìn)行了3個導(dǎo)葉的設(shè)計及快速成型。依據(jù)設(shè)計參數(shù)對徑向?qū)~分別進(jìn)行水力設(shè)計，導(dǎo)葉幾何參數(shù)及三維模型見表3～表6與圖1～圖4。其中，D3為導(dǎo)葉基圓直徑；a3為導(dǎo)葉喉部平面寬度，b3為導(dǎo)葉進(jìn)口軸面寬度；a4為導(dǎo)葉出口平面寬度，b4為正導(dǎo)葉葉片出口寬度；S為導(dǎo)葉喉部面積。

表3 原始導(dǎo)葉幾何參數(shù)Tab.3 Original diffuse geometry parameters

表4 導(dǎo)葉01幾何參數(shù)Tab.4 Diffuse 01 geometry parameters

表5 導(dǎo)葉02幾何參數(shù)Tab.5 Diffuse 02 geometry parameters

表6 導(dǎo)葉03幾何參數(shù)Tab.6 Diffuse 03 geometry parameters

圖1 葉輪三維圖Fig.1 3D model of impeller

圖2 導(dǎo)葉01三維圖Fig.2 3D model of diffuse 01

圖3 導(dǎo)葉02三維圖Fig.3 3D model of diffuse 02

圖4 導(dǎo)葉03三維圖Fig.4 3D model of diffuse 03

3 泵水力性能試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 不同工況下?lián)P程分析

圖5是三種導(dǎo)葉流量揚(yáng)程性能曲線。由圖5可以看出，隨著導(dǎo)葉喉部面積的增大，流量揚(yáng)程曲線逐漸變得平緩，且喉部面積最大的流量揚(yáng)程曲線完全包絡(luò)其他兩條曲線。分析其原因，在葉輪保持不變的前提下，導(dǎo)葉喉部面積越大，相應(yīng)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(jù)葉輪圓周速度和葉輪內(nèi)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(chǎn)生的揚(yáng)程也就低。

在小流量工況下，可以看出，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程隨著喉部面積的增大而增大，而02號導(dǎo)葉關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程略高于03號導(dǎo)葉，這與分析結(jié)果不符，究其原因可能是測量誤差所致。且三條曲線在關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程均達(dá)到客戶要求。

在額定工況下 ，揚(yáng)程是隨著喉部面積的增大而增大。且三條曲線在額定點(diǎn)的揚(yáng)程均高于客戶要求的數(shù)值，不過由于配套電機(jī)最大軸功率的限制，暫時還不能判定三個導(dǎo)葉的優(yōu)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(dǎo)葉在大流量的流量揚(yáng)程曲線更加平緩，而01號與02號流量揚(yáng)程曲線相對來說較為陡峭。

圖5 揚(yáng)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(dǎo)葉流量效率性能曲線。由圖6可以看出，隨著導(dǎo)葉喉部面積的增大，最高效率點(diǎn)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(dǎo)葉效率曲線完全包絡(luò)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(nèi)液流與葉輪出流因速度不一致而引起的撞擊損失和導(dǎo)葉內(nèi)的沿程水力摩擦損失。而又由于揚(yáng)程的升高，最終導(dǎo)致效率提高且最高效率點(diǎn)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(diǎn)工況下，可以看到喉部面積最小的01號導(dǎo)葉效率最低，低于客戶要求的效率值。

而在大流量點(diǎn)，最高效率點(diǎn)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(dǎo)葉在大流量的流量效率曲線高效區(qū)最寬，而02號流量效率曲線高效區(qū)次之，01號流量效率曲線高效區(qū)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(dǎo)葉流量軸功率性能曲線圖。由圖7可以看出，隨著導(dǎo)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(yīng)該是最大流量的增大，揚(yáng)程提高，使得軸功率增加且軸功率曲線變得更加陡峭易導(dǎo)致原動機(jī)過載。由圖7可知，03號導(dǎo)葉最大軸功率已經(jīng)大于客戶要求的最大軸功率值，引起原動機(jī)過載，而01號和02號導(dǎo)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(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程都滿足客戶要求，額定點(diǎn)揚(yáng)程也滿足要求，額定點(diǎn)效率01號導(dǎo)葉不達(dá)標(biāo)，而最大軸功率03號導(dǎo)葉超標(biāo)，02號導(dǎo)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(jī)過載，故能夠滿足客戶需求。

4 結(jié) 語

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

(2)低比轉(zhuǎn)速離心泵徑向?qū)~運(yùn)用面積比原理設(shè)計的技術(shù)并不成熟，本文僅僅選取了三個不同喉部面積的參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，而根據(jù)面積比原理，葉輪與導(dǎo)葉喉部面積的比值存在一個最佳值，需要后續(xù)的試驗(yàn)進(jìn)行研究驗(yàn)證。

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

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