徐云英

（中國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)入葉輪的同時從出口環(huán)流回到葉輪，形成相應(yīng)的水流動能。

（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都有兩個相對的分支；螺旋葉則會使液體沿著自旋的方向流動，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，安放角增大時泵的揚(yáng)程將增加、減小時泵的流量將增加。

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，在安裝時需使葉輪進(jìn)口流量與導(dǎo)葉進(jìn)口流量方向相對應(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受到泵流量、壓力和現(xiàn)場布置等因素的影響。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 對雙向軸流泵水力性能的影響

導(dǎo)葉出口安放角的變化會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降低，而效率會有所提高。

另外，導(dǎo)葉出口安放角對雙向軸流泵的內(nèi)部流動情況也有一定影響。例如，當(dāng)其達(dá)到一定值時會影響流場的對稱性、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重要參數(shù)，對葉輪進(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，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。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)葉出口安放角對泵性能的影響，通過對不同安放角進(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，以保證泵的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。

因此，需要綜合考慮多個因素，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。實(shí)驗(yàn)臺主要由水泵、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)測試，即在無流量工況下進(jìn)行泵的空載試驗(yàn)，測量泵的葉輪轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)。在數(shù)據(jù)確定后，進(jìn)行泵的動態(tài)測試。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?；趯?shí)驗(yàn)需求，進(jìn)行了多次測試，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)對泵性能的影響，對每個參數(shù)進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)測試，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，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，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、流量的測量比較困難，實(shí)驗(yàn)誤差難免存在。對誤差因素和采取的應(yīng)對措施進(jìn)行如下分析。

（1）采用渦街流量傳感器測量流量，該傳感器在大流量情況下容易飽和，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。為克服這個問題，將流量計(jì)分段測量并逐段記錄，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)過程中會出現(xiàn)一些自身固有的失衡、噪聲和振動等問題，這會對實(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)的擾動和噪聲，并對泵體進(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，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)葉出口安放角對雙向軸流泵水力性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)測試和數(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，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，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速增大時，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，所以在進(jìn)行雙向軸流泵性能測試時需要重復(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，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

通過對雙向軸流泵導(dǎo)葉出口安放角的調(diào)整，探究了其對水力性能的影響。采用實(shí)驗(yàn)分析法，通過對葉片的隨機(jī)試驗(yàn)和對流場的數(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對葉片表面出現(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)葉出口安放角對雙向軸流泵水力性能的影響規(guī)律，對于泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定參考價值，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。