可調導葉式軸流泵馬鞍區(qū)水力特性試驗研究

2013-12-01 錢忠東武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室

　　為了分析不同導葉安放角對軸流泵在馬鞍區(qū)工況運行時的影響，探究導葉角度的優(yōu)化規(guī)律，在水泵模型試驗臺上，對一種新型可調導葉式軸流泵的外特性進行測試，得到不同導葉安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲線，分析了導葉安放角對軸流泵馬鞍區(qū)水力特性的影響.試驗結果表明:相同流量工況下軸流泵的揚程和效率隨著導葉安放角由0°向-5°調節(jié)而增大，調節(jié)導葉安放角，能夠有效抑制葉片背面脫流旋渦的擴散，顯著改善軸流泵出口的流態(tài)，提高動能回收的比例；在馬鞍區(qū)工況下，揚程最大提升0.15m，為設計揚程的4.69%，效率最大提升1.93%；馬鞍區(qū)起始點流量向小流量偏移了0.00494m3/s，馬鞍區(qū)范圍減小了6.64%，拓寬了軸流泵穩(wěn)定運行的區(qū)域；導葉安放角在-5°～0°的調整過程中，軸流泵的軸功率沒有明顯變化；在本次試驗條件下，導葉安放角為-5°時馬鞍區(qū)水力特性改善效果最明顯，但仍有進一步提升的空間。

　　隨著南水北調工程的展開，軸流泵的應用日趨廣泛.對于軸流泵性能的優(yōu)化和預測，主要依靠理論研究和模型試驗，近年來計算流體力學作為一種嶄新而強大的有效研究工具，也廣泛用于軸流泵的研究，并已經(jīng)發(fā)展到三維、黏性、多相流階段。由于軸流泵本身工作原理、結構形式的特點，在50%～65%設計流量工況處存在著馬鞍形區(qū)域，水泵在該區(qū)域無法穩(wěn)定運行。耿衛(wèi)明等使用3D-PIV方法，測量了馬鞍區(qū)等工況下的軸流泵葉輪出口流場，研究結果表明，在馬鞍區(qū)工況條件下，葉片表面出現(xiàn)回流，吸力面產(chǎn)生脫流，葉輪出口附近出現(xiàn)劇烈的二次流現(xiàn)象，造成工況不穩(wěn)定.此外，由于流量變小，葉輪進口處葉片沖角增大，葉片背部易發(fā)生劇烈的空化，氣泡侵占過流體積，氣泡的產(chǎn)生和潰滅，也影響著軸流泵的穩(wěn)定運行.楊帆等用數(shù)值模擬的方法介紹軸流泵進口流動的細部結構，以及泵導葉出口環(huán)量對出水流道流態(tài)的影響.為了抑制不穩(wěn)定工況，消除馬鞍區(qū)內(nèi)的不利影響，Kurokawa等提出了在軸流泵轉輪室內(nèi)設置楔型槽(J-groove)的方法，使得軸流泵在馬鞍區(qū)的性能得以改善，但會損失高效區(qū)的部分揚程和效率.錢忠東等、Alexey等提出了后置、前置可調式導葉(adjustableguidevane，AGV)的結構，通過CFD分析表明，調節(jié)導葉安放角度可以提升軸流泵在非設計工況下的揚程和效率，拓寬軸流泵運行的高效區(qū).李忠等、胡健等通過試驗及CFD方法研究了導葉對軸流泵性能的影響.但文獻均未對馬鞍區(qū)的流動特性進行深入分析。

　　文中采用模型試驗的方法，對可調導葉式軸流泵在馬鞍區(qū)的外特性進行研究。分析不同導葉安放角度對流量、揚程和軸功率的影響。

　　1、模型試驗裝置

　　試驗臺為臥式封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，主要設備由可調導葉式軸流泵、穩(wěn)壓罐、壓力罐、真空罐、電磁流量計、壓力變送器、轉矩轉速傳感器、電磁閘閥、Φ400mm管道等組成.模型泵轉輪直徑為300mm，額定轉速1450r/min，設計流量0.33m3/s.設計揚程3.5m電磁壓力測量采用型號為MPM4730的壓力變送器(8只，精度均為0.25%)；流量測量采用KROHNE電磁流量計，精度為0.3%；轉矩轉速測量采用HLD09型轉矩轉速傳感器，精度為0.5%.試驗中各測量及計算參數(shù)不確定度[10]:流量Q≤0.36%，揚程H≤0.66%，輸入功率P≤0.54%，效率η≤0.93%.采用水泵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行工況調整和數(shù)據(jù)采集，減少了人為誤差，提高了測試精度。

泵裝置示意圖