不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响

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Influence of positive preswirl generated by diferent airfoilson performance of centrifugal pumpWang Haimin，Zhou Caimin，(School of EnelgY and Power Engineering，University of ShanghaHuang Xiong，Lin Haofor Science and Technology，Shanghai 200093，China)Abstract： Fwo sets of inlet guide vanes with diferent airfoil sections were designed for the preswirl regu-lation in a centrifugal pump by using the basic design theory of turbomaehinery to optimize its operationconditions.Subsequently，eflcts of positive preswirl induced by the guide vanes with diferent aiflbils onthe hydrodynamic performance ofthe centrifugal pump were studied.The result showed that an approp-riately designed positive preswirl could increase the eficiency of the single-suction centrifugal pump.Corn-pared with the performance without the inlet guide vanes，the efficiency of the centrifugal pump instaledthe inlet guide vanes with straight constant-thickness could be increased as high as 2.05% and the re-sponding shaft-power consumption could be reduced as low as 6.35% .For the guide vanes with Gottin-gen-364 airbils，the eficiency of the pump was increased by 2.34% and the reduction in shaft-powerconsumption was lowered by 6.53% .The inlet guide vanes with both straight constant-thickness bladeand Gotingen airfoil showed litle influence on the head.For the straight constant-thickness blade，thebest eficiency point was moved to a low flow rate 172 133/h at the 20。and 40。preswirl angles： )1theGotingen airfoil，the best eficiency point was changed to 172 m /h as wel；however，the best efieien-cy occurred at 190 nl /h at the 40。preswirl angle.Clearly.the high efficiency range has been extendedat the 20。and 40。preswirl angles for the inlet guide vanes with Gottingen airfoil。

收稿 日期：2012-04-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(51176127)；教育部博 f 点基金资助项 目(20103120120005)；上海 教委重点学科 没琐 H(J50501)作者简介：王海民(197l-)，男，湖北黄冈人，副教授(hniwang###usst.edu.m )，主要从事新能源没备 j过程中的流体，J学研究周裁民(1987-)，男，湖北荆州人，硕士研究叶：(caiminzhou0330###163 )，主要从事流动测量技术研究。

Key words：centrifugal pump；inlet guide vanes；hydraulic performance；preswirl regulation；efficiency随着国民经济的发展，工程节能问题 日益受到重视.作为-种有着广泛应用的工程机械，离心泵耗能总量巨大，因此对其进行节能研究具有重要的意义.在离心泵的实际运行中，存在着其运行效率低于设计 效率的现象.研究表明，这主要是运行工况低于设计工况的要求 ，长期在小流量 、低效区运行，因此，对离心泵运行 的优化，除了提高泵自身的效率，还可以改进其工况调节方式.作为-种具有较大节能潜力的工况调节方式，离心泵加装前置导叶在各种叶轮机械中得到了应用I4，加装前置导N-所带来的流动机理变化也得到研究.Jesas等 模拟分析了低速轴流风机中的非定常流动.Francesco等 详细分析了加装前置导叶对轴流透平机械中的边界层和近动叶尾迹流动的影响.针对离心泵加装前置导叶的理论分析 和实验工作 也已展开.在离心泵的运行中，预旋调节的主要作用 是通过改变水泵进 口状态使高效运行区得到拓宽.翼型和预旋角度的不 同，影响着预旋调节的效果 ，进而影 响离心泵的水力性能，因此有必要研究不同翼型对离心泵性能的影响。

文中运用单吸离心泵前置导口I的基本设计方法，设计出包括叶片和旋转调节机构在内的-整套试验装置，对加装不同翼型正预旋前置导叶的离心泵进行外特性试验，为前置导叶的优化设计提供试验参考。

2种不同翼型前置导叶在前置导叶预旋调节方式中，良好的前置导叶翼型是提高离心泵水力性能的关键.文中运用叶轮机械设计基本理论，设计出2种不同翼型的前置导叶叶片，以此研究不同翼型前置导叶叶片对离心泵水力特性的影响。

对单吸泵而言，采用整流叶片设计基本原理设计出3个沿管壁均匀分布的扇形等厚直叶片，如图1所 示.扇 面半径为 145 Hln3，弧长 220 mm，厚3.5 iIlm.该叶片的外缘经过削减处理以减少来流冲击损失.另外，Gotingen-364作 为-种 常用翼型 ，具有升阻比大、翼型负荷均匀、抗汽蚀性能好的优良特性.因此文中选取 Gotingen-364叶片作为前置导叶基础翼型，并采用轴流泵孤立叶片水力设计方法，运用升力法分 5个截面进行计算.不同展向距离对应的翼型参数见表 1，其中r为展向距离；f为弦长； 为最大厚度。

图 1 等厚直叶片与Gottingen弯1r片Fig.1 Straight constant-thickness blade and Gotingen airtbil表 1 Gottingen弯叶片部分几何参数Tab.1 Part geometrical parameters of Gottingen bowedblade-type2 前置导叶的预旋调节装置为了控制前置导叶的预旋角度，文中设计了图2所示的前置导叶预旋调节装置.3叶片沿管壁两两间隔 120。分布.使用时，结合工况变化调节定位盘到相应的刻度即可完成预旋角度的调节.在保证密封的同时，该装置能够快速地调节预旋角度以应对工况的突然变化。

定位盘紧固螺栓刻度盘定位紧固螺栓 叶片夹 定位螺钉 橡胶密封圈- / --- - - -- - - -- - - - - - - - - - - - - -- - - -- - - - - - - / --。

/法兰 直管段 叶片图2 前置导叶调节机构装配图Fig.2 Inlet guide vanes preswirl regulation device3 导叶正预旋对离心泵·性能的影响将文中设计的前置导叶的预旋调节机构与KQW150/285-18.5/4型单级卧式单吸离心泵(其设计工况点的外特性参数见表 2，进出口直径 150mm，叶轮名义直径 285 mm)采用正预旋工况连接，在试验平 台上测试获得加装等厚直 叶片和Gotingen弯叶片前置导叶时离心泵 的外特性参数.对比不同预旋角度下离心泵的性能在主要工况点的变化.其中每种工况下 3叶片取相同角度 ，该角度即为预旋角。

表 2 离心泵在设计工况点的外特性参数Tab.2 Performance of centrifugal pump in main conditionpoints3.1 等厚直叶片正预旋对离心泵性能的影响对比加装等厚直叶片前置导叶前后，离心泵的性能在主要工况点的变化。

图3所示，相对于无前置导叶，随着预旋角度的增加，离心泵扬程逐渐减小；随着流量的增加，扬程减小的幅度逐渐变大.在设计工况点，20。预旋时，扬程分别减少0.30，0.48，0.77 m；40。预旋时，扬程分别减少 0.40，0.95，1.38 m.表明等厚直叶片正预旋会带来-定程度上的扬程损失。

- 无前置导叶- 20 顶旋角40。预旋角图3 带有等厚直叶片前置导叶离心泵扬程 -流量曲线Fig.3 Head-flow curves in straight condition图4所示 ，相对于无前置导叶，随着预旋角度的增加，离心泵所消耗功率逐渐减少；随着流量的增加，功率消耗减少的幅度逐渐变大.在设计工况点，20。预旋时，功率消耗分别减少 0.20，0.41，0.46kW；40。预旋时，功率消耗分别减少 0.49，0.84，1.07 kW，最大节能约 6.35%.表明等厚直叶片正预旋使得离心泵功率消耗减少。

- 无前置导叶- 20。预旋角 - 40。预旋角图4 带有等厚直叶片前置导叶离心泵功率 -流量曲线Fig.4 Power-flow curves in straight condition图5所示，相对于无前置导叶，在设计工况点，20。预 旋 时，效 率 分别 提 高 0.39%，0.62%，- 0.79%；40。预旋时，效率分别提高 1.03%，2.05%，0.20%.40。预旋对效率的增大幅度 比20。预旋大.2个预旋角度下最高效率点都往小流量区偏移到 Q为172 m /h处.表明在小流量工况下等厚直叶片正预旋能有效 的改善离心泵的运行效率。

- 厄时胃导叶- 20。预旋角～ 40。预旋角图5 带有等厚直叶片前置导叶离心泵效率 -流量曲线Fig.5 Eficiency-flow curves in straight condition3.2 Gotingen弯叶片正预旋对离心泵性能的影响对比加装 Gotingen弯叶片前置导叶前后，离心泵的性能在主要工况点的变化。

图6所示，相对于无前置导叶，随着预旋角度的增大，离心泵扬程逐渐减小；随着流量的增加，扬程减小的幅度逐渐变大.在设计工况点，20。预旋时，扬程分别减小 0.03，0.13，0.38 m；40。预旋时，扬程分别减小 0.33，0.46，1.03 m.表明Gotingen弯叶片正预旋会带来-定程度上的扬程损失。

- 无前蚩导叶- 2O。预旋角40。预旋角Q/(m 。h)图6 带有 Gotingen弯叶片前置导叶离心泵扬程 -流量曲线Fig.6 Head-flow curves in Gotingen bowed condition 图7所示，相对于无前置导叶，随着预旋角度的增加，离心泵所消耗功率逐渐减少；随着流量的增加，功率消耗减少的幅度逐渐变大.在设计工况点，20。

预旋时，功率消耗分别减少 0.31，0.50，0.82 kW；40。预旋时，功率消耗分别减少0.51，0.95，1.1 kW，最大节能约6.53%.表明 Gotingen弯叶片正预旋使得离心泵功率消耗减少。

- 无前置导叶- 十20。预旋角 - 40。预旋角Ql(m h )图7 带有 Gotingen弯叶片前置导叶离心泵功率 -流量曲线Fig.7 Power-flow CHIVES in Gottingen bowed condition图8所示，相对于无前置导叶，随着流量的增加，在设 计工况点，2O。预旋 时效 率分别提高0.76%，1.29%，1.2%，最高效率点往小流量区偏移到 Q为 172 In /h处，高效区得到扩大；40。预旋时，效率分别提高 1.42%，2.34%，1.83%，最高效率点往小流量区偏移到Q为 190 m /h处，高效区得到扩大.40。预旋对效率的增加，最高效率点偏移和高效区扩大的幅度均比20。预旋大.表明 Gotin-gen弯叶片正预旋能有效改善离心泵的运行效率。

- 无前置导叶- 2O。预旋角40。预旋角图8 带有 Gottingen弯叶片前置导叶离心泵效率 -流量曲线Fig.8 Eficiency-flow CHYVeS in Gottingenbowed condition总体上，Gotingen弯叶片和等厚直叶片前置导叶正预旋较好的改善了离心泵的水力性能.虽然有- 定的扬程损失，但有效地降低了离心泵的功率消耗，较大幅度提高了离心泵效率，并且都使最高效率点往小流量区进行了偏移.Gotingen弯叶片还明显扩大了高效区范围。

3.3 2种预旋效果的对比分析对比加装 2种不同前置导叶时，相对于无前置导叶离心泵的性能在主要工况点的变化.在试验范围内，定义流量 120～173 m /h为小流量区，流量173～208 m /h为大流量区.取相对较小的 20。代表小偏角的预旋，相对较大的 40。代表大偏角的预旋。

图9所示，对于正预旋调节，在设计工况点处，等厚直叶片和 Gotingen弯叶片均造成离心泵的扬程损失，并且 Gotingen弯叶片的损失量小于相同预旋角度下的等厚直叶片.20。预旋时，随着流量的增加，2种损失量的差值缓慢增大.40。预旋时，随着流量的增加，2种损失量的差值先增大后缩小.试验表明，除了在大偏角小流量的工况，Gotingen弯叶片均比等厚直叶片更好地改善加装前置导叶带来的扬程损失。

- - 等厚直叶片20。预旋 Ootingen弯叶片20。预旋- - 等厚直叶片40。预旋- - Gotingen弯叶片40。预旋pl(mh J图 9 等厚直叶片与 Gotingen弯叶片前置导叶导致离心泵扬程损失量对比Fig.9 Comparison of head with two kinds of vanes图 10所示，对于正预旋调节，在设计工况点处，等厚直叶片和Gotingen弯叶片均造成离心泵的功率消耗减少，并且Gotingen弯叶片的减少量大于相同预旋角度下的等厚直叶片.20。预旋时，2种减少量的差值在大流量区最为明显.十40。预旋时，随着流量的增加，2种减少量的差值先增大后缩小.试验表明，在不同的流量工况下，合理的选择预旋角度可以使 Got-tingen弯叶片对离心泵功率的减少量明显大于等厚直叶片。

- - 等厚直叶片2O。预旋Gotingen弯叶片20。预旋- - 等厚直叶片40。预旋- - Gotingen弯叶片.4O。预旋图 10 等厚直叶片与 Gotingen弯 叶片 前置导叶导致离心泵功率降低量对比Fig.1 0 Comparison of power consumptionwith two kinds of vanes如图11所示，对于正预旋调节，在设计工况点处，Gotingen弯叶片对离心泵效率的提高量大于相同预旋角度下的等厚直叶片.20。预旋时，随着流量的增加，效率提高程度的差值逐渐加大.40。预旋时，随着流量的增加，效率提高程度的差值先减畜增大.其中在小偏角大流量时，等厚直叶片存在效率降低区域.试验表明，在不同的流量工况下，Gotingen弯- - 叶片对离心泵效率的提高程度均优于等厚直叶片. 1- ---- ～ 厂 - - - - - - - 、 、 z0 160 200- - 等厚直叶片20。预旋- - G0tingen弯叶片20。预旋 l 4 J- - 等厚直叶片40。预旋 Gotingen弯叶片40。预旋图 1 1 等厚直叶片Lj Gottingen弯叶片前置导叶导致离心泵效率变化量对比Fig.1 l Comparison of eficiency with two kinds of vanes总体 ，通过合理的工况调节，等厚直叶片和Gotingen弯叶片均能较好的改善离心泵的外特性，但是 Gotingen弯叶片前置导叶对离心泵外特性的改善程度要优于等厚直叶片。

4 结 论对于所选单吸离心泵加装前置导叶预旋调节的研究表 明：1)前置导叶能在-定程度上改善离心泵的水力性能.相对于无前置导叶，等厚直叶片前置导叶使离心 泵效率最大提高 2.05%，功率消耗节省6.35%，Gotingen弯叶片前置导叶使离心泵效率最大提高2.34%，功率消耗节省 6.53%。

2)在不同的lr-况下，合理的调节预旋角度，能够更好地实现离心泵的增效节能.与无导叶工况相比，虽然有-定的扬程损失，但 2种前置导叶正预旋调节都很好地降低了离心泵功率消耗，并且最高效率点往小流量区进行偏移的同时高效区范围也得到 r扩大。

3)综合考虑发现 Gotingen弯叶片前置导叶调节效果优于等厚直叶片前置导叶，其在对高效区的拓宽、功率降低量和扬程降低的幅度等方面均好于后者。