導向葉片安裝角度對雙向軸流水泵水力特性的影響

徐云英

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

1 雙向軸流泵的結構

雙向軸流泵由葉輪、泵殼、泵軸、軸承、導向裝置、電機等部分組成，是一種流量大、揚程低、軸向體積小的泵，廣泛應用于水利、城市給排水、市政工程、環(huán)保、航空航天等領域。它的結構與普通的軸流泵類似，但其葉輪和導葉具有雙向進出水口（即入口與出口并排），在水流進入葉輪的同時從出口環(huán)流回到葉輪，形成相應的水流動能。

（1）葉輪一般采用多翼葉或螺旋葉結構，截面呈扇形或拱形。其中，多翼葉葉片通常安裝在泵輪的兩側，幾乎所有的液流伸向葉片時都有兩個相對的分支；螺旋葉則會使液體沿著自旋的方向流動，可以減少流體的剪切力、提高效率。

（2）導葉出口的安放角是雙向軸流泵結構設計中的關鍵因素之一，安放角增大時泵的揚程將增加、減小時泵的流量將增加。

雙向軸流泵有結構緊湊、體積小、效率高、使用壽命長等特點，通過合理的設計和優(yōu)化，其性能參數(shù)也能得到進一步的提高（圖1）。

圖1 雙向軸流泵

2 導葉出口安放角對雙向軸流泵水力性能的影響

2.1 定義與影響因素

導葉出口安放角是指導葉出口流向與軸線的夾角（通常用β 表示），會影響葉輪進口處的進口流量分布，以及導葉出口處的出口流量分布，設計時要盡可能地使流量分布均勻，從而提高雙向軸流泵的水力性能。

導葉出口安放角的大小受到許多因素的影響，其中最主要的是葉輪進口流量角和導葉進口流量角。為了使雙向軸流泵運行穩(wěn)定，在安裝時需使葉輪進口流量與導葉進口流量方向相對應，即葉輪進口流量角和導葉進口流量角方向相同。根據(jù)流量均衡原理，在這種情況下導葉出口安放角應該與葉輪出口角度相等。另外，導葉出口安放角的取值也會受到泵流量、壓力和現(xiàn)場布置等因素的影響。為確保雙向軸流泵的水力性能，應根據(jù)實際情況精確計算和研究其取值。

2.2 對雙向軸流泵水力性能的影響

導葉出口安放角的變化會直接影響雙向軸流泵的葉輪流線和葉輪出流角度，從而影響葉輪的進口流量和出口流量、扭矩和功率等水力性能指標。通常情況下，隨著導葉出口安放角的增大，雙向軸流泵的流量和扭矩會降低，而效率會有所提高。

另外，導葉出口安放角對雙向軸流泵的內部流動情況也有一定影響。例如，當其達到一定值時會影響流場的對稱性、葉輪出口的流向角等，從而引起壓力波和旋渦等復雜的流動現(xiàn)象，影響泵的穩(wěn)定性和可靠性。

由上述分析可知，導葉出口安放角是雙向軸流泵水力性能的一個重要參數(shù)，對葉輪進口流量、出口流量、扭矩、功率和效率等性能指標有著明顯影響。在實際應用中應根據(jù)具體的工況和性能要求，采用合適的導葉出口安放角設計方案、進行多次試驗和研究，以實現(xiàn)雙向軸流泵最佳的水力性能。

2.3 優(yōu)化設計方法

導葉出口安放角不僅對提高泵的水力性能具有重要意義，而且合理的安放角可以提高葉輪的穩(wěn)定性，降低泵的噪聲以及水渦流損失和能量損失。

安放角優(yōu)化設計時，首先需要明確雙向軸流泵的工作原理和流體力學基礎，了解其水力性能的基本知識。根據(jù)導葉出口安放角的定義與影響因素，可以通過建立流場數(shù)值模型來分析不同導葉出口安放角下的水力性能變化規(guī)律，并根據(jù)優(yōu)化設計的要求來進行參數(shù)調整。

在優(yōu)化設計中，首先要考慮導葉出口安放角對泵性能的影響，通過對不同安放角進行計算分析，可以獲得安放角與水力性能之間的關系，確定出優(yōu)化設計中需要考慮的因素和參數(shù)范圍。其次，需要考慮優(yōu)化后的設計方案是否具有可行性和實用性，需要進行相關的實驗驗證。最后，還需要考慮設計方案的可持續(xù)性和可靠性，以保證泵的長期運行穩(wěn)定性。

因此，需要綜合考慮多個因素，才能得到最優(yōu)的導葉出口安放角設計方案。

3 實驗研究

3.1 實驗方法與裝置

3.1.1 實驗裝置

本研究所用的實驗裝置為雙向軸流泵性能試驗臺。實驗臺主要由水泵、變頻調速裝置、流量計、壓力表等組成。其中，水泵流量調整范圍為0～200 m3/h，流量精度為0.5%，轉速范圍為500～3600 r/min，轉速穩(wěn)定度小于±5 r/min。實驗流道采用倒U形結構，為了保證泵體進出口流道間存在的水頭差不對試驗結果造成干擾，設計了兩條獨立的水路，水路2 由一個0.1 m3的水平水箱供水。

3.1.2 實驗方法

實驗前需要進行泵的靜態(tài)測試，即在無流量工況下進行泵的空載試驗，測量泵的葉輪轉速、功率等參數(shù)。在數(shù)據(jù)確定后，進行泵的動態(tài)測試。先開啟水泵，并將其處于最小流量狀態(tài)，然后根據(jù)計算流量值設定調速器輸出相應的頻率，進行穩(wěn)定不間斷的測試，直至得到相應的數(shù)據(jù)后，再逐步提高水泵的流量，重復上述步驟?；趯嶒炐枨?，進行了多次測試，并記錄下每次實驗的數(shù)據(jù)和相關參數(shù)。

3.1.3 實驗參數(shù)

本文選擇導葉出口安放角、流量和葉輪轉速作為試驗參數(shù)，為了加快試驗速度，只考慮不同導葉出口安放角對泵性能的影響，葉輪轉速為2000 r/min，其他實驗參數(shù)設計見表1。

表1 實驗參數(shù)設計

為充分調查這些參數(shù)對泵性能的影響，對每個參數(shù)進行了多組實驗測試，不斷逼近最佳參數(shù)組合。

3.2 實驗結果與分析

實驗分別在導葉出口傾角為0°、10°、20°、30°、40°、50°的情況下進行，得到不同工況下雙向軸流泵的水力性能曲線。實驗結果表明，導葉出口傾角對于軸流泵的水力性能有顯著影響。

在導葉出口傾角為0°的情況下，該雙向軸流泵的流量為350 m3/h，揚程為30 m，效率為76.8%；增加到40°時，流量略有下降，為320 m3/h，但揚程和效率分別提高到31.4 m 和79.2%；進一步增加到50°時，流量下降至300 m3/h 左右，但揚程和效率進一步提高到32.5 m 和80.3%。

此外，導葉出口傾角對于雙向軸流泵的水力損失也有直接影響。隨著導葉出口傾角的增大，泵的水力損失也相應增加。其中，背流環(huán)區(qū)域的水力損失增加最為明顯，其損失機理主要是導葉出口傾角增大引起的背流區(qū)面積增加。因此，在實際應用中應根據(jù)具體工況選擇合適的導葉出口傾角。

上述實驗結果表明，導葉出口傾角是影響雙向軸流泵水力性能的重要因素，其對于雙向軸流泵的流量、揚程、效率及水力損失等性能參數(shù)均有明顯影響。因此，為獲得更優(yōu)的水力性能，需要在實際應用中更加注重導葉出口的設計與調整。

3.3 實驗誤差分析

在實驗過程中，由于雙向軸流泵的結構特殊、流量的測量比較困難，實驗誤差難免存在。對誤差因素和采取的應對措施進行如下分析。

（1）采用渦街流量傳感器測量流量，該傳感器在大流量情況下容易飽和，導致出現(xiàn)誤差。為克服這個問題，將流量計分段測量并逐段記錄，以保證準確度和穩(wěn)定性。

（2）雙向軸流泵是一種高速旋轉的機械設備，在運轉過程中會出現(xiàn)一些自身固有的失衡、噪聲和振動等問題，這會對實驗數(shù)據(jù)產生一定的干擾和誤差。為了解決這個問題，在實驗過程中嚴格控制實驗環(huán)境，保持實驗室干凈整潔，降低實驗室內介質的擾動和噪聲，并對泵體進行精細地調試和平衡，以保障實驗環(huán)境穩(wěn)定和設備運行平穩(wěn)。

（3）實驗人員的技能水平和操作方法也會影響實驗數(shù)據(jù)的準確性。為了避免這些人為誤差的影響，在實驗前應該對實驗人員進行專業(yè)技能培訓，確保其熟練掌握實驗方法和操作規(guī)程，并在實驗過程中進行監(jiān)控和抽樣檢查，以保障數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

盡管存在若干誤差影響因素，但是已在實驗過程中進行了有效控制和監(jiān)測，以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

3.4 實驗結論

本文研究導葉出口安放角對雙向軸流泵水力性能的影響，通過實驗測試和數(shù)據(jù)分析得到如下結論：

（1）隨著導葉出口安放角度的逐漸增大，雙向軸流泵的揚程逐漸下降，流量則逐漸上升。當導葉出口安放角度為0°時，雙向軸流泵的揚程值最大、流量值最小。

（2）當導葉出口安放角度固定時，當水泵轉速增大時，揚程值將逐漸上升，流量值將逐漸下降。

（3）雙向軸流泵存在著誤差和不穩(wěn)定性。在實驗中發(fā)現(xiàn)，泵的揚程和流量值在不同實驗中存在著一定的波動，所以在進行雙向軸流泵性能測試時需要重復多次實驗并取平均值。

（4）在實際應用中最優(yōu)的導葉出口安放角度需要根據(jù)具體情況和實驗研究得出，不能生搬硬套。同時，實驗結果也可以為雙向軸流泵設計、優(yōu)化及應用提供重要參考依據(jù)。

4 結論

通過對雙向軸流泵導葉出口安放角的調整，探究了其對水力性能的影響。采用實驗分析法，通過對葉片的隨機試驗和對流場的數(shù)值模擬，得出如下結論。

（1）發(fā)現(xiàn)導葉出口安放角的變化會對葉片表面出現(xiàn)的漩渦結構產生明顯影響。在較小的安放角情況下，漩渦結構較弱，水流的轉向性較好，較少產生漩渦損失。而在較大的安放角下，漩渦結構明顯加強，導致漩渦損失增加，并且水流的轉向性變得較差。

（2）泵的水力特性會隨著導葉出口安放角的增加而發(fā)生較大變化：在較小的角度下，各項性能參數(shù)較為穩(wěn)定，水力性能比較理想；但角度較大時泵的效率和流量都出現(xiàn)較大下降，泵的穩(wěn)定性也明顯降低。

通過本次研究，得出導葉出口安放角對雙向軸流泵水力性能的影響規(guī)律，對于泵的優(yōu)化設計和應用具有一定參考價值，但仍需要進一步的研究，探索更多影響因素，進而提升泵的效率和穩(wěn)定性。