斜流泵研究进展
由于斜流泵兼有离心泵和轴流泵的优点,其应用范围越来越广。首先根据比转速的不同对斜流泵进行了分类,介绍了斜流泵的结构特点、能量特性以及存在的问题。对现有的斜流泵的设计方法即传统设计法、逆向求解设计法以及控制速度矩设计法的优势及不足进行了总结。在斜流泵的设计中需要注意的细节包括轮缘间隙、叶片角变化、绘型技术以及轴面图设计等。轴面图设计是影响斜流泵性能的一个重要因素,通过合理的改进轴面图形状,可以提高设计点效率、改善小流量点的驼峰。应用PIV测试以及CFD技术可以获取并分析斜流泵的内部流动特性。
1、前言
斜流泵也称为导叶式混流泵,具有外径小、占地面积少、易启动以及效率高等优点,是一种性能和结构介于离心泵和轴流泵之间的水泵,具有两者的优点,补偿了两者的缺点。斜流泵的比转速传统应用范围在290～590,目前其应用范围已开始逐渐向传统的离心泵和轴流泵领域拓展。通过合理设计以及对叶轮叶片进行调节,斜流泵可以实现大范围的高效稳定运行。由于斜流泵具有上述优点,使其在海水脱盐系统以及火力发电和核电站的循环水系统中广泛采用,据日本透平机械协会统计,日本泵制造业在2003～2006年间为全球的火电站和核电站提供的循环水泵中斜流泵超过了93%,其中最大口径达4m。国内的斜流泵研究和生产与轴流泵和离心泵相比有很大的差距,其试验和理论研究都非常薄弱。
为了方便斜流泵的研究和设计,将斜流泵按比转速分类如表1所示。
表1 斜流泵分类
2、斜流泵结构特点与能量特性
从水力结构看,斜流泵过流部件主要包括叶轮和导叶两部分,有的还包括进水导流部件,叶轮叶片有可调与不可调两种,通常情况下低比转速叶轮为不可调式的闭式叶轮,中高比转速叶轮为可调式的开式叶轮。图1为常见的几种不同比转速下斜流泵的水力结构形式。
图1 斜流泵水力结构
图2所示为部分斜流泵的无量纲能量曲线。流量系数<和扬程系数ψ的计算式为 :
式中V2m ———叶轮出口的轴面流速
U2m ———叶轮出口均方根直径处圆周速度
H———设计点扬程
g———重力加速度
<———流量系数
ψ———扬程系数
由图2可以看出,在设计流量的0.5～0.7倍附近,流量- 扬程曲线出现正斜率,也就是通常说的马鞍型曲线,斜流泵的这一不稳定特性会产生振动和噪声等不良现象。都築和豊倉等认为这是由于在该小流量点工况下叶轮进口回流损失引起的,前者还通过改善叶轮轮毂进口的设计消除了这一马鞍型。而Miyabe则通过PIV试验研究认为是由于叶轮进口处的脱流传播到导叶进口与叶轮出口之间进而在此处形成回流引起的 。
a) 不可调叶片(b) 叶片可调ns=800
图2 斜流泵无量纲能量曲线
3、斜流泵设计方法
3.1、传统设计方法
斜流泵导叶以及叶轮的传统设计方法主要是基于泵的一元设计理论,通过计算进出口速度三角形并借助模型换算等手段来进行设计的一种半经验半理论的设计方法。通常采用的叶片绘型方法有逐点绘型法和保角变换法。随着斜流泵的应用范围的拓展,特别是向高比转速方向发展的需要,很多研究人员开始对传统的设计方法进行调整和修正。例如关醒凡为了避免或者减少高比转速斜流泵内的回流、二次流以及改善汽蚀性能等,在设计过程中提出了四点需要改进的地方。何希杰针对斜流泵不同的轴面形状,推导了叶型的空间方程,并对一些优秀水力模型进行了回归分析,丰富了斜流泵的设计资料。
3.2、逆向求解设计法
逆向求解设计法是预先设置叶片表面的载荷分布,然后以涡列替代叶片求解叶片表面的载荷以满足给定条件的一种逆向设计方法。该方法最早由後藤彰等提出并在低比转速斜流泵的设计中应用。然而,虽然现在CFD技术可以对透平机械内部流动进行三元求解,也能分析叶片几何形状的变化对流场的影响,但是,还无法确切的知道什么样的叶片载荷分布是最合理的,因此也就无法依靠逆向求解方法获得最优的流道形状。桜井应用逆向求解设计法根据两种不同的预设叶片表面载荷设计了两种高比转速斜流泵叶轮并试验研究比较了其性能,对于高比转速斜流泵,采用逆向求解设计法可以有效提高设计点的效率,但是无法改善马鞍形曲线。随后後藤又将该方法发展到所有类型泵叶片/流道的设计中并建立了三维CAD/CFD交互系统,在该系统中含有一个前人工作积累的数据库用于设置初始叶片轴面形状和叶片表面载荷分布。
