ZM931高比转数轴流泵水力模型的设计
介绍了ZM931高比转数低扬程轴流泵水力模型的设计。提出了一些实用的处理方法，实践表明，用这些方法能够设计出效率高、高效范围宽、过流量大、抗汽蚀性能好、工艺性好的轴流泵水力模型。设计的模型已推广应用。
【摘要】 介绍了ZM931高比转数低扬程轴流泵水力模型的设计。提出了一些实用的处理方法，实践表明，用这些方法能够设计出效率高、高效范围宽、过流量大、抗汽蚀性能好、工艺性好的轴流泵水力模型。设计的模型已推广应用。
叙词： 比转数 轴流泵 模型 设计
引言
低扬程轴流泵的一些技术问题一直没有很好地解决，其根本原因，一是缺少优良性能的水力模型，二是没有好的结构型式。所以本应使用低扬程轴流泵的地区(扬程2m～3m)也只好使用设计扬程较高(5m～7m)的轴流泵，造成能源上的极大浪费。因此，研究这种高比转数、低扬程的轴流泵水力模型，是发展我国低扬程排灌事业的基础。
根据武汉水电大学丘传忻等专家的意见和我们自己的研究，比转数超过1 500的轴流泵因叶片较薄，工艺性较差，实际使用中有叶片断裂现象，且高效范围较窄，所以实际运行很不经济，因而比转数不宜过高。因此，我们认为农田排灌用低扬程大流量轴流泵水力模型的比转数应以1 250～1 400为宜。为此，我们对该高比转数低扬程轴流泵水力模型进行了设计和试验研究。
轴流泵水力模型设计主要分为两部分：一是叶轮的叶片，二是导叶。
1.1 叶片的设计
对于高比转数低扬程轴流泵水力模型，除了采用升力法进行叶片的常规设计外，我们还采用了以下一些处理方法来进行叶片的设计。
(1) 流道内部流动解析
设液体在轴流泵叶轮流道内的流动是空间轴对称运动，并设流体是理想且不可压缩的，则在球坐标系下流动的连续性方程为
（1）
式中 
经分离变量，可得液体流动的流函数及势函数分别为
（2）
上述Ai、Bi共2n+1个待定系数，可通过离散边界条件解方程组求得，即
（3）
式中 
于是，可以求得流场中任一空间点的速度分布规律。
因此，在选定的计算断面上，根据流动解析方法，可求得各计算流面上的进、出口速度三角形。并通过选用由关醒凡教授等研制成功的高性能的791翼型，编制计算程序，进行各类参数的优化计算后来确定本模型的主要参数。
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图1 vｍ和vu2的分布规律 (2) 采用按变轴面速度和变环量分布的设计方法考虑到轴流泵叶轮进口预旋等的影响，设计时减小轮毂翼型的安放角和轮毂侧的轴面速度vｍ、圆周分速度vu2，增加轮缘翼型的安放角和轮缘侧的vm、vu2，并具体给出了它们的分布规律，如图1所示。 试验研究表明，按此速度分布规律求得的叶片安放角，符合实际流动情况，因而具有良好的性能。设计出的叶片减小了扭曲，改善了翼型的工作条件，对提高效率、扩大高效范围、增加过流能力、提高抗汽蚀性能等都有重要影响。 (3) 适当减小外缘侧的叶栅稠密度l／t缘，增加轮毂侧的叶栅稠密度l/t毂 叶栅稠密度l/t是轴流泵叶轮的重要几何参数，减小l/t，表征叶片总面积减小，叶片两面的压差增大，会使汽蚀性能变坏。但另一方面，因摩擦面积减小，不但可以提高过流量，还可以提高效率。因此，适当减小外缘侧的l/t缘，增加轮毂侧的l/t毂，以缩小内外侧翼型的长度差，均衡叶片出口扬程，并且还可以减小非设计工况下的二次回流，扩大高效范围，提高运转稳定性。 我们认为，只有确保叶片出口vur等于常数，才可能消除径向流动，减小损失，提高效率。而l/t对汽蚀性能也有重要影响，故适当增加l/t毂对提高抗汽蚀性能有利。因此，选择l/t时应兼顾效率和汽蚀两个方面。经试验研究，取l/t缘=0.53～0.80、l/t毂=(1.3～1.4)(l/t缘)。另外，从能量转换和汽蚀性能考虑，不论叶片数Z为多少，叶片都应当有一定的长度，用以形成理想的通道，所以，选择l/t时还应当考虑叶片数的多少。 (4) 正确选取轮毂比  ，有利于提高效率和扩大高效范围轮毂比 除了受结构强度限制以外，对叶轮内的流动状态也有重要影响。从水力性能上讲，减小，水力摩擦损失就小，同时增大了过流面积，流速有所降低，这对改善汽蚀性能是有益的。但是，过分地降低，会使叶片各断面的半径差和角度差很大，导致流动条件相差很大，叶片扭曲严重。当偏离设计工况时，会造成液体流动的紊乱，在叶轮进、出口形成二次回流，从而使泵的效率下降，高效范围变窄。因此，取稍大的轮毂比会改善这种流动状态，从而扩大高效范围。根据我们的研究，对于ns＞1 300的模型，由于其过流量较大，故其轮毂比dh一般取0.35～0.40为好，且叶片外缘液流角β∞取15°～20°。(5) 适当修圆叶片进口外缘，提高叶片的抗汽蚀性能 |
| 图2 修圆叶片进口外缘 图3 翼型的旋转中心 |
| 叶片外缘进口部分修圆以后，流进叶轮的液体先与根部接触，由此获得能量的液体之一部分向外缘流动，使外缘处正待流入叶片的液体旋转分量增加，压力增高，从而推迟外缘处汽蚀的过早发生，提高叶片的抗汽蚀性能，另外，为了减小轮毂和轮缘截面叶片长度之差，外缘出口处也可适当修圆，如图2所示。 (6) 调整各截面翼型的旋转中心，使其尽量相互接近，且其纵向位置应当有规律变化，以保证叶片表面的光滑。同时，为了减小叶轮内流动的径向滑移，可使叶片表面从轮毂向轮缘方向略向上倾斜，以保证具有良好的流动稳定性和高效范围，如图3所示。 1.2 导叶的设计 导叶的主要作用是消除从叶轮出口流出的液流的速度环量，将液流圆周速度的动能转换为压力能，并利用其扩散作用将部分轴面速度的动能也转换为压力能，从而减小液流在流动过程中的水力损失。 (1) 适当增大导叶的出口角。如果导叶的出口角较小，则不能充分消除叶轮的出口环量。为此，适当减小导叶轮毂体的直径，并重新调整导叶片进口边在平面图上的位置，使叶片和内外壁的真实夹角接近90°。 (2) 确定合理的导叶数。轴流泵的导叶数与比转数及相邻两导叶之间的扩散角有关。从流体力学可知，最有利的扩散角为6°～10°。因此，对于高比转数泵，由于泵的扬程较低，故取较小的扩散角有利，且其导叶数取4～5片为好。这样一方面能使液流在导叶中得到充分的能量转换，同时又尽可能地减少在导叶中的水力摩擦阻力损失，从而可以改善和提高轴流泵的性能。 |
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图4 ZM931轴流泵模型 (3) 比转数越高，导叶的作用越小，但仍可回收大约5%的旋涡能。因此，设计时须考虑导叶与叶轮的优化配合。当采用变环量法设计叶轮时，可适当加大靠轮缘部分的环量，以减小叶轮出口的旋涡能，使叶轮出口的势扬程增大，动扬程减小，有利于泵效率的提高和改善泵在小流量区的不稳定性能。 2.1 试验装置 |
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图5 水泵模型泵段及水泵模型装置试验台 |
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图6 ZM931轴流泵水力模型综合特性曲线 试验系统是一个全封闭的循环回路系统，系统总容量为50m３。水自汽蚀筒均匀地流入模型泵进口，获得能量后流入稳压筒，然后经管路系统流回到汽蚀筒，形成回路。当模型泵的扬程太低，不能形成自循环水流时，可借助增压泵以达到自循环。模型泵为卧式安装，通过扭矩仪与泵轴联接，工况点的变更与调节通过管路上闸阀的开度变化来实现。该试验台已于1994年通过了水利部、机械部组织的专家技术鉴定，系统设计布置合理，安装调整方便，运行稳定、可靠，重复性良好。各量测量精度均达到并优于GB3216—89B级和ISO/DIS5198A级(草案)规定的要求，其效率测量的综合误差为±0.783%，居国内先进水平。 2.2 试验结果 ZM931高比转数低扬程轴流泵模型的转轮直径D为300mm，试验的同步转速n为1 500 r/min，针对设计方案进行了±4°、±2°和0°共5种叶片角度下的能量和汽蚀试验。小流量区段(包括零流量)采用降速试验，大流量区段(包括零扬程和负扬程)借助增压泵试验。本次试验测量的原始数据全部由计算机处理后换算至额定转速为1 450 r/min时的数值。下表列出了该模型在最优工况下的工作性能，ZM931高比转数低扬程轴流泵水力模型的综合特性曲线如图6所示。 表 ZM931轴流泵水力模型最优工况下的工作性能 |
| 叶片角 φ／（°） |
流量 | 扬程 H/m |
轴功率 P/kW |
效率 η/% |
汽蚀比 转数C |
比转数 nｓ | |
| Q/m３*h-1 | Q/m３*s-1 | ||||||
| +4° | 1 476.28 | 0.410 1 | 3.55 | 17.522 | 81.49 | 1 070 | 1 310 |
| +2° | 1 379.20 | 0.383 1 | 3.37 | 15.373 | 82.28 | 1 080 | 1 317 |
| 0° | 1 280.16 | 0.355 6 | 3.25 | 13.635 | 83.10 | 1 274 | 1 304 |
| -2° | 1 200.74 | 0.333 5 | 3.08 | 12.052 | 83.47 | 1 315 | 1 315 |
| -4° | 1 116.85 | 0.310 2 | 2.88 | 10.440 | 83.81 | 1 180 | 1 333 |
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3 结论
(1) ZM931模型过流量大，0°角最高效率点的流量为0.355 6m３/s，此时扬程仅为3.25m，故属于低扬程、大流量的高比转数模型，比转数的应用范围为1 300～1 450。 (2) 由于ZM931模型在设计中采取了一些旨在提高效率和抗汽蚀性能的处理方法，并选用高性能的791翼型，从而使该模型效率高、高效范围宽、抗汽蚀性能好。在比转数为1 300时，最高效率超过83%，在比转数为1 400时，最高效率超过82%，在扬程为2.4m～4.5m范围内效率均超过80%。 (3) ZM931模型厚度适中，外缘5mm，根部11mm，工艺性好。 (4) ZM931模型已应用于国家“九五”期间的重点工程——太湖流域综合治理骨干工程的望虞河泵站，运行情况良好，从而对整个太湖流域的防洪、排涝、引水和保证工农业生产与人民生命财产的安全发挥了积极的作用。 收稿日期： 1997-04-24 * 江苏省科技发展计划项目，已通过江苏省科委鉴定且已推广应用，该项目还获得机械工业部科技进步二等奖。 施卫东 江苏理工大学流体机械研究所副所长 副研究员， 212013 镇江市 参考文献 1 关醒凡 编著. 现代泵技术手册. 北京: 宇航出版社, 1995. 306～335 DESIGN OF AXIAL FLOW PUMP HYDRAULIC MODELZM931 Abstract The design method of axial flow pump hydraulic model ZM931 on high specific speed low-lift is introduced, some of practical design methods are put forward. It is found that this high performance model with new design method is characterized by high efficiency, wide high efficiency range, large discharge, good cavitation and technology performance. It has been applied in some pump stations. |
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