斜流泵研究进展(2)

3.3、控制速度矩设计法

　　斜流泵的流道形状介于离心泵和轴流泵之间,因此在设计方法上,目前有采用介于自由旋涡理论Vur=const和强旋涡理论Vu/r=const之间的某种变化规律的设计形式,也就是控制速度矩设计法。关醒凡在设计比转速为800的斜流泵时采用了控制速度矩设计方法 , 在设计中所绘制的流线采用了不同的流动规律,通过该方法设计斜流泵在设计流量下的二次回流得到有效的抑制,在其设计的比转速为800的斜流泵的性能曲线上,在叶片调整角度为- 4°的流量- 扬程曲线上没有出现明显的马鞍形。都築采用可控速度矩法对比转速为455的斜流泵进行了重新设计并分析了改型前后的流场和压力场,改型后的斜流泵完全消除了最高效率点0.545～0.6流量处的马鞍现象 ,曹树良等在进行斜流泵的设计时,也是预先给定了速度矩的设计 。但是在这些研究中,都没有明确的说明如何控制速度矩。

　　蔡佑林根据可控涡设计理论和方法, 认为在叶轮叶片进口边要满足来流无冲击条件,根据库塔条件,在叶轮叶片的出口边Vur沿流线的梯度应该为0,根据上述约束,为比转速为482的斜流泵的设计提供了速度矩Vur的分布规律。根据逆向求解设计法和控制速度矩设计法设计得到的叶片与传统设计方法得到的叶轮,特别是叶片轮毂处型线的变化规律有所不同。

3.4、关键参数影响及设计细节处理

3.4.1、绘型技术

　　叶片绘型是获得光滑叶片表面的关键技术,在传统的设计中,通常采用方格网以及保角变换技术逐条流线进行绘型,也有人提出了一些叶片型线的具体的描述公式,由此得到的叶片型线在每个流线上是光滑的,为了保证在整个流面上的光滑性,还要做进一步的光滑性检查。为了适应数控机床加工的需要,现在对叶片表面的光滑性要求已经很高,要求设计得到的叶轮能够与数控机床的加工精度相适应。曹树良等采用流线迭代法求解轴面流动,根据轴面流动得到的轴面流网求解叶片骨面与计算流面的空间交线,也就是叶片骨线,然后应用逐点积分法进行叶片绘型,设计得到的斜流泵叶轮和导叶叶片表面光滑, 适用于数控机床加工 。

3.4.2、轴面图形状

　　在设计斜流泵叶轮和导叶的轴面形状时,通常根据经验或者已有的模型来确定。在早期的设计中,叶轮和导叶间的距离很短,叶轮出口边和导叶进口边在轴面上的投影是平行的。但是现在的设计则认为增大叶轮出口边和导叶进口边的距离是有利的 。叶轮进出口边的设计通常遵循下述原则:轮毂侧进口边前伸以提前对流入叶轮的液流施加力矩,减小液流的相对速度,改善汽蚀性能;增加轮毂侧翼型的叶栅稠密度,使叶轮内部的流态更为稳定,防止在非设计工况下产生二次回流。都築用可控速度矩方法重新设计的叶轮轴面图的进口边与传统的设计结果相比符合上述要求 ,如图3所示。重新设计后的结果消除了马鞍形,优于改进前的性能。

图3　叶轮轴面图

　　为了分析轴面图对性能的影响,斉藤等对比转速为330的斜流泵进行了流场计算及内外特性试验研究 ,研究结果发现,轴面图曲率变化越小,内部流态越好,效率越高,但是最高效率点向大流量方向偏移。

3.4.3、叶片安放角

　　何希杰研究了叶片安放角对性能的影响,并提出了相应的统计公式。通常进出口叶片安放角由速度三角形计算出的液流角得到。在传统的一元理论设计中,叶片安放角沿流线从进口到出口的变化是单调的,即二阶导数不存在0值。但是根据逆向求解法设计得到的叶片安放角变化规律则不同,图4所示为桜井设计的比转速为637的斜流泵的叶轮轮毂处叶片安放角变化曲线。

图4　叶片安放角沿流线变化

　　从图4中可以看出,这种变化规律与传统设计明显不同,叶片安放角在出口前先增大后降低的目的是为了满足库塔条件。但是,在整个流线上如何确定最优的叶片安放角变化规律目前还无法在设计阶段直接得到。

3.4.4、斜流泵叶轮轮缘间隙的影响

　　叶轮轮缘处间隙会影响泵的容积损失,从而影响泵的性能。钱涵欣等人研究了斜流泵轮缘间隙大小的不同对性能的影响。随着间隙的增大,效率下降,同时由于叶片的有效翼展减小,扬程和功率也是下降的。从提高效率的角度看,间隙越小越好。从加工工艺上讲,间隙越小制造越困难。所以设计时应根据具体条件尽可能取较小的间隙,以便提高泵的效率。

　　由于叶轮叶片的工作面和背面存在压力差,导致叶轮轮缘处间隙会产生间隙射流,从而影响轮缘附近的流动状态。原和雄为这种间隙流动建立了简化的数学模型,張春晚对该模型进行了发展并用于求解斜流泵的轮缘间隙流动,研究发现间隙内射流不仅与叶片工作面和背面的压力差有关,还与叶片圆周速度以及叶片的角度密切相关,间隙射流会引起不可忽视的能量损失。

　　此外,泵的进口流道形式对叶轮进口流态也有一定的影响,为了改善斜流泵的进口流态,要求泵的进口与吸水池壁面有一定的距离,有时候还会在泵的进口加装导流部件以满足泵进口流态的要求 。

4、斜流泵内部流动研究

　　同离心泵和轴流泵的研究一样,对内部流场的分析成为改善斜流泵性能的重要手段之一。对内部流场的研究主要有数值计算和试验研究两种方法。现在应用商用软件求解斜流泵的外特性曲线已经达到了较高的精度,特别是在设计工况点,效率和扬程的计算误差可以达到1.5%以内 。

　　通常斜流泵没有前盖板,是一种开式结构,因此斜流泵内部流场的可视化试验研究比较容易实现。目前采用的最常用也是最简单的方法就是油膜法 ,但是油膜法只能观测过流部件壁面的流动。PIV是分析叶片泵内部流场的较有效的可视化设备,Miyabe为了分析斜流泵马鞍形曲线的成因,采用PIV技术对斜流泵内部的流场进行了试验研究,发现了斜流泵内部流动失速的发生和发展过程,初步对斜流泵性能曲线驼峰的形成原因进行了分析。

5、结论

　　(1)总结分析了斜流泵的结构特点和能量特性。斜流泵出现马鞍形曲线的原因复杂,但是可以确定的是与轴面图设计、进口叶片安放角设计等有关系;

　　(2) 现有的研究表明,除了高比转速斜流泵外,通过控制速度矩设计可以有效的消除斜流泵的马鞍形曲线。斜流泵外特性与叶片表面载荷分布以及速度矩分布等密切相关。但是如何最优的控制速度矩仍然是不确定的;

　　(3) 斜流泵的设计与绘型技术要求满足数控加工和快速成型的要求;

　　(4) 对内部流场的计算是分析斜流泵性能的重要手段之一。通常斜流泵的叶轮是开式的,因此其可视化试验研究比较容易进行。