可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究

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钱忠东，王凡，王志远，等.可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究[J].排灌机械工程学报，2013，31(6)：461-465Experimental study on hydraulic performance of saddle zone in axialflow pump with adjustable guide vaneQian Zhongdong，Wang Fan，Wang Zhiyuan，Zhou Wan(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan Univmity，Wuhan，Hubei 430072，China)Abstract：In order to analyze the efects of adjustable guide vane(AGV)on axial pumps working insaddle zone，in the hope of optimizing adjusting laws，performance test of a new axial-flow pump withAGV was caied out on the pump test bed.Q-H，Q-叼and Q-P curves at diferent guide vane an-gles were obtained.The effects of AGV on hydraulic performance of the model pump in saddle zonewere analyzed.The results show that，at the same flow rate，head and eficiency of axial flow pump in-crease as guide vane angle is adjusted from 0。to-5。.With AGV.the separation vortex in the flowchannel is suppressed efectively；flow regime at pump outlet is optimized obviously；kinetic energy re-covery rate is improved.Head and eficiency of the pump are improved by 0.15 m(0.046 9Hd)and1.93% respectively.The critical flow discharge is decreased by 0.004 94 m。/s and the range of sad。

dle-shaped zone is narrowed by 6.64% ，broadening the range of stable working zone.At guide vaneangle of-5。-0。，the shaft power changes little.In this experiment，the best values of hydraulic per-formanee obtained are at-5。guide vane angle，but they can be further improved。

Key words：axial flow pump；adjustable guide vane；saddle zone；model test；optimize收稿日期：2012-12-07；网络出版时间：2013-06-03网络出版地址：htp：///kcms/detail/32.1814.TH.20130603.0936.001.html基金项目：十二五”国家科技支撑计划项 目(2012BAD08B03)；国家自然科学基金资助项目(51079106)作者简介：钱忠东(1976-)，男，江苏泰州人，教授，博士生导师(zdqian###whu.edu.cn)，主要从事水力机械、计算流体力学等研究王凡(1988-)，男，江苏连云港人，硕士研究生(kraps###qq con)，主要从事水力机械研究。

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-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 j.由于轴流泵本身：[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(adjustable guide vane，AGV)的结构，通过 CFD分析表明，调节导叶芭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 j、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[5-9]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.分析不同导叶芭角度对流量、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、q0400 mm管道等组成.模型泵转轮直径为300 mm，额定转速 1 450 r/rain，设计流量 0.33m /s.设计扬程 3.5 m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 m ：流量 Q≤0.36%，扬程 ≤0.66%，输入功率P≤0.54%，效率 卵≤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。

压力传感器 可调导叶式模型轴流泵 电磁闸阀电动机 转速和转矩传感器 电磁流量计图 1 泵装置示意图Fig.1 Sketch of pump unit可调导叶式轴流泵三维模型如图2所示，为了便于导叶调节，导叶轮毂和导叶段泵壳均为球形。

导叶调节装置结构如图3所示，调节装置由固定底盘和导叶调节盘组成，导叶调角范围为 -5。～5。。

图2 可调导叶式轴流泵三维模型Fig.2 3D model of axial pump with AGV固定底盘导叶调节盘图3 导叶调节装置Fig.3 Schematic diagram of AGV adjustment device 疆 2 试验方法机组启动前进行空载试验，校正各个传感器示数，然后进行能量试验.本次试验保持叶片芭角为 0。，仅调节导叶角度，测试不同导叶芭角度下轴流泵的外特性曲线.根据文献 [6，11]，在小流量工况下导叶芭角应调整为负角度.本试验中导叶调节范围为 -5。～0。.通过调节电磁闸阀的开度来调节轴流泵运行的工况点，流量调节范围为0.15～0.30 m /s.为了保证所得曲线的精确性，各导叶安放角度下测量 14个工况点.测试参数包括轴流泵进出口压力、流量、转速及转矩。

3 试验结果及分析试验过程 中，随着流量的减小，在流量约为0.23 nl /s时，汽蚀、振动与噪声突然增加，从透明泵壳观察，转轮室内已经由叶片顶部的环带状间隙汽蚀 变为叶片背面的大面积汽蚀，转轮室内出现汽蚀的体积显著增加.在流量约为 0.18 m /s时，振动和噪声开始减小，但汽蚀的体积仍然维持在较大的比例.根据能量试验的结果，分别作出轴流泵模型装置在6个不同导叶芭角下的H-Q，叼-Q，P- Q拟合曲线。

3.1 能量特性 曲线不同导叶芭角下的H-Q，田-Q，P-Q拟合曲线分别如图4-6所示.观察0。导叶芭角的日-Q曲线，发 现 在 0.18～0.23 m /s(0.55Q ～0.70Q )的流量范围内，H-Q曲线表现出明显的马鞍形区域.在马鞍形区域内，随着导叶芭角的负向调节，扬程、效率均得到了显著提高.在小流量工况下，-5。导叶角的扬程与效率曲线均为最优。

图4 不同导叶芭角下模型泵 日-Q曲线Fig.4 H-Q CHIVES at different guide vane angles图5 不同导叶芭角下模型泵 钾-Q曲线Fig.5 叼-Q curves at diferent guide vane angles图6 不同导叶芭角下模型泵 P-Q曲线Fig.6 P-Q curves at diferent guide vane angles采用 7次方程对 H-Q曲线进行拟合 ，可得7(Q)∑B Q ， (1)式中：日为扬程，m；Q为流量，10-m /s；B。数值取0流量时的扬程值，参照经验值H 以及曲线走势给定.曰 ～B 为拟合所得的系数值，见表 1。

表 1 H-Q拟合曲线系数值Tab.1 Fitting values of H-Q curves为了量化计算马鞍区的流量范围，采用式(1)的导数值，即H-Q曲线的斜率值作为参数判断轴流泵是否进入马鞍区运行.在 0。导叶芭角下，日(1.8)-1.224，H (2.3)-0.374，计算其他 5个不同导叶芭角度下H-Q曲线斜率，得到各个马鞍区范围如表 2所示.表中Q 表示马鞍区流量。

表2 不同导叶芭角马鞍区的范围Tab.2 Range of saddle-shaped zone atdiferent AGV angles1.800 0≤Q ≤2.300 01.823 2≤O ≤2.308 11.8t1 4≤O≤2.274 l1.777 3≤Q≤2.266 01.793 l≤0 ≤2.259 81 783 8≤Q≤2.250 6随着导叶芭角的负向调节，马鞍区起始点向小流量侧移动 j-0.004 94 m /s，约为设计流量的1.50%，与0。导叶芭角相比，-5。导叶芭角时稳定运行区域被拓宽，马鞍区范围减小了6.64%。

不同导叶芭角的P-Q曲线之间差异相对较小，存在着许多不规律的交点，各导叶芭角度下曲线走势没有明显的改变.可见导叶芭角的调节对轴功率并无 著影响，因此不会导致电机过载。

3.2 马鞍区工况分析在整个马鞍区域内，扬程和效率随着导叶安装角负向调整而增大.扬程最大提升了0.15 m，约为设计扬程的4.69%，效率最大提升了 1.93%.-5。

导叶角度下扬程和效率的优化效果随流量变化趋势如图7所示.当轴流泵进入马鞍区工况运行，随着流量的减小，扬程增加值先增大再减小，在 0.20513 /s流量下扬程提升值最大.而效率增加值则不断降低.2条曲线的极值分别出现在不同的流量下，说明在 -5。导叶芭角下，扬程与效率的最优值并不重合。

图7 扬程和效率增加值随流量变化曲线Fig.7 Curves of AH-Q and△"-Q以流量为0.205 1TI /s的工况为例，随着导叶安放角的调整，轴流泵扬程和效率的变化趋势如图 8所示.扬程和效率随着导叶芭角减小而上升，在调节范围内没有出现极值，说明扬程和效率仍有优化的空间.马鞍区扬程和效率的改善表明，导叶角度的调节可以从-定程度上抑制叶片背部产生的脱流涡旋，避免旋涡将不稳定的流态扩散至整个流道，改善了轴流泵出口的流态，提高了动能回收的比例。

55.555.054·554 O53.553 0$ 、图 8 模型泵在流量为0.205 in /s时扬程、效率随导叶角度的变化Fig.8 Changes of head and efficiency at diferent guidevane angles when Q0.205 Il /s4 结 论1)调节导叶芭角，能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散，提高动能回收的比例，从而提高马鞍区的扬程和效率.本试验条件下，导叶调整后扬程最大提升了0.15 ITI，约为设计扬程的4.69%，效率最大提升了 1.93%。

2)调整导叶芭角后，轴流泵进人马鞍区工况的临界流量向小流量偏移了0.004 94 1TI /s，约为设计流量的 1.50%，轴流泵稳定运行的区域被拓宽，马鞍区的范围缩小了6.64%。

3)在各个导叶芭角下，轴流泵轴功率没有明显变化，调节导叶芭角不会导致电机过载。

4)受模型泵导叶调节范围的限制，马鞍区扬程和效率均未达到最优值，存在进-步优化的空问。