可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究

2013-12-01 钱忠东武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室

　　为了分析不同导叶安放角对轴流泵在马鞍区工况运行时的影响，探究导叶角度的优化规律，在水泵模型试验台上，对一种新型可调导叶式轴流泵的外特性进行测试，得到不同导叶安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲线，分析了导叶安放角对轴流泵马鞍区水力特性的影响.试验结果表明:相同流量工况下轴流泵的扬程和效率随着导叶安放角由0°向-5°调节而增大，调节导叶安放角，能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散，显著改善轴流泵出口的流态，提高动能回收的比例；在马鞍区工况下，扬程最大提升0.15m，为设计扬程的4.69%，效率最大提升1.93%；马鞍区起始点流量向小流量偏移了0.00494m3/s，马鞍区范围减小了6.64%，拓宽了轴流泵稳定运行的区域；导叶安放角在-5°～0°的调整过程中，轴流泵的轴功率没有明显变化；在本次试验条件下，导叶安放角为-5°时马鞍区水力特性改善效果最明显，但仍有进一步提升的空间。

　　随着南水北调工程的展开，轴流泵的应用日趋广泛.对于轴流泵性能的优化和预测，主要依靠理论研究和模型试验，近年来计算流体力学作为一种崭新而强大的有效研究工具，也广泛用于轴流泵的研究，并已经发展到三维、黏性、多相流阶段。由于轴流泵本身工作原理、结构形式的特点，在50%～65%设计流量工况处存在着马鞍形区域，水泵在该区域无法稳定运行。耿卫明等使用3D-PIV方法，测量了马鞍区等工况下的轴流泵叶轮出口流场，研究结果表明，在马鞍区工况条件下，叶片表面出现回流，吸力面产生脱流，叶轮出口附近出现剧烈的二次流现象，造成工况不稳定.此外，由于流量变小，叶轮进口处叶片冲角增大，叶片背部易发生剧烈的空化，气泡侵占过流体积，气泡的产生和溃灭，也影响着轴流泵的稳定运行.杨帆等用数值模拟的方法介绍轴流泵进口流动的细部结构，以及泵导叶出口环量对出水流道流态的影响.为了抑制不稳定工况，消除马鞍区内的不利影响，Kurokawa等提出了在轴流泵转轮室内设置楔型槽(J-groove)的方法，使得轴流泵在马鞍区的性能得以改善，但会损失高效区的部分扬程和效率.钱忠东等、Alexey等提出了后置、前置可调式导叶(adjustableguidevane，AGV)的结构，通过CFD分析表明，调节导叶安放角度可以提升轴流泵在非设计工况下的扬程和效率，拓宽轴流泵运行的高效区.李忠等、胡健等通过试验及CFD方法研究了导叶对轴流泵性能的影响.但文献均未对马鞍区的流动特性进行深入分析。

　　文中采用模型试验的方法，对可调导叶式轴流泵在马鞍区的外特性进行研究。分析不同导叶安放角度对流量、扬程和轴功率的影响。

　　1、模型试验装置

　　试验台为卧式封闭循环系统，如图1所示，主要设备由可调导叶式轴流泵、稳压罐、压力罐、真空罐、电磁流量计、压力变送器、转矩转速传感器、电磁闸阀、Φ400mm管道等组成.模型泵转轮直径为300mm，额定转速1450r/min，设计流量0.33m3/s.设计扬程3.5m电磁压力测量采用型号为MPM4730的压力变送器(8只，精度均为0.25%)；流量测量采用KROHNE电磁流量计，精度为0.3%；转矩转速测量采用HLD09型转矩转速传感器，精度为0.5%.试验中各测量及计算参数不确定度[10]:流量Q≤0.36%，扬程H≤0.66%，输入功率P≤0.54%，效率η≤0.93%.采用水泵数据采集系统进行工况调整和数据采集，减少了人为误差，提高了测试精度。

泵装置示意图