可調(diào)導(dǎo)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(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室

　　為了分析不同導(dǎo)葉安放角對軸流泵在馬鞍區(qū)工況運行時的影響，探究導(dǎo)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(diào)導(dǎo)葉式軸流泵的外特性進(jìn)行測試，得到不同導(dǎo)葉安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲線，分析了導(dǎo)葉安放角對軸流泵馬鞍區(qū)水力特性的影響.試驗結(jié)果表明:相同流量工況下軸流泵的揚程和效率隨著導(dǎo)葉安放角由0°向-5°調(diào)節(jié)而增大，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉安放角，能夠有效抑制葉片背面脫流旋渦的擴(kuò)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(shè)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(dǎo)葉安放角在-5°～0°的調(diào)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(dǎo)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(jìn)一步提升的空間。

　　隨著南水北調(diào)工程的展開，軸流泵的應(yīng)用日趨廣泛.對于軸流泵性能的優(yōu)化和預(yù)測，主要依靠理論研究和模型試驗，近年來計算流體力學(xué)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(jié)構(gòu)形式的特點，在50%～65%設(shè)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(jié)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(jìn)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(jìn)口流動的細(xì)部結(jié)構(gòu)，以及泵導(dǎo)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(zhuǎn)輪室內(nèi)設(shè)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(diào)式導(dǎo)葉(adjustableguidevane，AGV)的結(jié)構(gòu)，通過CFD分析表明，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉安放角度可以提升軸流泵在非設(shè)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(dǎo)葉對軸流泵性能的影響.但文獻(xiàn)均未對馬鞍區(qū)的流動特性進(jìn)行深入分析。

　　文中采用模型試驗的方法，對可調(diào)導(dǎo)葉式軸流泵在馬鞍區(qū)的外特性進(jìn)行研究。分析不同導(dǎo)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(shè)備由可調(diào)導(dǎo)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、電磁閘閥、Φ400mm管道等組成.模型泵轉(zhuǎn)輪直徑為300mm，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，設(shè)計流量0.33m3/s.設(shè)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量采用HLD09型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(jìn)行工況調(diào)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

圖1 泵裝置示意圖

　　可調(diào)導(dǎo)葉式軸流泵三維模型如圖2所示，為了便于導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉輪轂和導(dǎo)葉段泵殼均為球形.導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，調(diào)節(jié)裝置由固定底盤和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)盤組成，導(dǎo)葉調(diào)角范圍為-5°～+5°。

可調(diào)導(dǎo)葉式軸流泵三維模型