由于斜流泵兼有離心泵和軸流泵的優(yōu)點,其應(yīng)用范圍越來越廣。首先根據(jù)比轉(zhuǎn)速的不同對斜流泵進行了分類,介紹了斜流泵的結(jié)構(gòu)特點、能量特性以及存在的問題。對現(xiàn)有的斜流泵的設(shè)計方法即傳統(tǒng)設(shè)計法、逆向求解設(shè)計法以及控制速度矩設(shè)計法的優(yōu)勢及不足進行了總結(jié)。在斜流泵的設(shè)計中需要注意的細節(jié)包括輪緣間隙、葉片角變化、繪型技術(shù)以及軸面圖設(shè)計等。軸面圖設(shè)計是影響斜流泵性能的一個重要因素,通過合理的改進軸面圖形狀,可以提高設(shè)計點效率、改善小流量點的駝峰。應(yīng)用PIV測試以及CFD技術(shù)可以獲取并分析斜流泵的內(nèi)部流動特性。
1、前言
斜流泵也稱為導(dǎo)葉式混流泵,具有外徑小、占地面積少、易啟動以及效率高等優(yōu)點,是一種性能和結(jié)構(gòu)介于離心泵和軸流泵之間的水泵,具有兩者的優(yōu)點,補償了兩者的缺點。斜流泵的比轉(zhuǎn)速傳統(tǒng)應(yīng)用范圍在290~590,目前其應(yīng)用范圍已開始逐漸向傳統(tǒng)的離心泵和軸流泵領(lǐng)域拓展。通過合理設(shè)計以及對葉輪葉片進行調(diào)節(jié),斜流泵可以實現(xiàn)大范圍的高效穩(wěn)定運行。由于斜流泵具有上述優(yōu)點,使其在海水脫鹽系統(tǒng)以及火力發(fā)電和核電站的循環(huán)水系統(tǒng)中廣泛采用,據(jù)日本透平機械協(xié)會統(tǒng)計,日本泵制造業(yè)在2003~2006年間為全球的火電站和核電站提供的循環(huán)水泵中斜流泵超過了93%,其中最大口徑達4m。國內(nèi)的斜流泵研究和生產(chǎn)與軸流泵和離心泵相比有很大的差距,其試驗和理論研究都非常薄弱。
2、斜流泵結(jié)構(gòu)特點與能量特性
從水力結(jié)構(gòu)看,斜流泵過流部件主要包括葉輪和導(dǎo)葉兩部分,有的還包括進水導(dǎo)流部件,葉輪葉片有可調(diào)與不可調(diào)兩種,通常情況下低比轉(zhuǎn)速葉輪為不可調(diào)式的閉式葉輪,中高比轉(zhuǎn)速葉輪為可調(diào)式的開式葉輪。
在設(shè)計流量的0.5~0.7倍附近,流量-揚程曲線出現(xiàn)正斜率,也就是通常說的馬鞍型曲線,斜流泵的這一不穩(wěn)定特性會產(chǎn)生振動和噪聲等不良現(xiàn)象。都築和豊倉等認為這是由于在該小流量點工況下葉輪進口回流損失引起的,前者還通過改善葉輪輪轂進口的設(shè)計消除了這一馬鞍型。而Miyabe則通過PIV試驗研究認為是由于葉輪進口處的脫流傳播到導(dǎo)葉進口與葉輪出口之間進而在此處形成回流引起的。
3、斜流泵設(shè)計方法
3.1、傳統(tǒng)設(shè)計方法
斜流泵導(dǎo)葉以及葉輪的傳統(tǒng)設(shè)計方法主要是基于泵的一元設(shè)計理論,通過計算進出口速度三角形并借助模型換算等手段來進行設(shè)計的一種半經(jīng)驗半理論的設(shè)計方法。通常采用的葉片繪型方法有逐點繪型法和保角變換法。隨著斜流泵的應(yīng)用范圍的拓展,特別是向高比轉(zhuǎn)速方向發(fā)展的需要,很多研究人員開始對傳統(tǒng)的設(shè)計方法進行調(diào)整和修正。例如關(guān)醒凡為了避免或者減少高比轉(zhuǎn)速斜流泵內(nèi)的回流、二次流以及改善汽蝕性能等,在設(shè)計過程中提出了四點需要改進的地方。何希杰針對斜流泵不同的軸面形狀,推導(dǎo)了葉型的空間方程,并對一些優(yōu)秀水力模型進行了回歸分析,豐富了斜流泵的設(shè)計資料。
3.2、逆向求解設(shè)計法
逆向求解設(shè)計法是預(yù)先設(shè)置葉片表面的載荷分布,然后以渦列替代葉片求解葉片表面的載荷以滿足給定條件的一種逆向設(shè)計方法。該方法最早由後藤彰等提出并在低比轉(zhuǎn)速斜流泵的設(shè)計中應(yīng)用。然而,雖然現(xiàn)在CFD技術(shù)可以對透平機械內(nèi)部流動進行三元求解,也能分析葉片幾何形狀的變化對流場的影響,但是,還無法確切的知道什么樣的葉片載荷分布是最合理的,因此也就無法依靠逆向求解方法獲得最優(yōu)的流道形狀。桜井應(yīng)用逆向求解設(shè)計法根據(jù)兩種不同的預(yù)設(shè)葉片表面載荷設(shè)計了兩種高比轉(zhuǎn)速斜流泵葉輪并試驗研究比較了其性能,對于高比轉(zhuǎn)速斜流泵,采用逆向求解設(shè)計法可以有效提高設(shè)計點的效率,但是無法改善馬鞍形曲線。隨后後藤又將該方法發(fā)展到所有類型泵葉片/流道的設(shè)計中并建立了三維CAD/CFD交互系統(tǒng),在該系統(tǒng)中含有一個前人工作積累的數(shù)據(jù)庫用于設(shè)置初始葉片軸面形狀和葉片表面載荷分布。
3.3、控制速度矩設(shè)計法
斜流泵的流道形狀介于離心泵和軸流泵之間,因此在設(shè)計方法上,目前有采用介于自由旋渦理論Vur=const和強旋渦理論Vu/r=const之間的某種變化規(guī)律的設(shè)計形式,也就是控制速度矩設(shè)計法。關(guān)醒凡在設(shè)計比轉(zhuǎn)速為800的斜流泵時采用了控制速度矩設(shè)計方法,在設(shè)計中所繪制的流線采用了不同的流動規(guī)律,通過該方法設(shè)計斜流泵在設(shè)計流量下的二次回流得到有效的抑制,在其設(shè)計的比轉(zhuǎn)速為800的斜流泵的性能曲線上,在葉片調(diào)整角度為-4°的流量-揚程曲線上沒有出現(xiàn)明顯的馬鞍形。都築采用可控速度矩法對比轉(zhuǎn)速為455的斜流泵進行了重新設(shè)計并分析了改型前后的流場和壓力場,改型后的斜流泵完全消除了最高效率點0.545~0.6流量處的馬鞍現(xiàn)象,曹樹良等在進行斜流泵的設(shè)計時,也是預(yù)先給定了速度矩的設(shè)計。但是在這些研究中,都沒有明確的說明如何控制速度矩。
蔡佑林根據(jù)可控渦設(shè)計理論和方法,認為在葉輪葉片進口邊要滿足來流無沖擊條件,根據(jù)庫塔條件,在葉輪葉片的出口邊Vur沿流線的梯度應(yīng)該為0,根據(jù)上述約束,為比轉(zhuǎn)速為482的斜流泵的設(shè)計提供了速度矩Vur的分布規(guī)律。根據(jù)逆向求解設(shè)計法和控制速度矩設(shè)計法設(shè)計得到的葉片與傳統(tǒng)設(shè)計方法得到的葉輪,特別是葉片輪轂處型線的變化規(guī)律有所不同。
3.4、關(guān)鍵參數(shù)影響及設(shè)計細節(jié)處理
3.4.1、繪型技術(shù)
葉片繪型是獲得光滑葉片表面的關(guān)鍵技術(shù),在傳統(tǒng)的設(shè)計中,通常采用方格網(wǎng)以及保角變換技術(shù)逐條流線進行繪型,也有人提出了一些葉片型線的具體的描述公式,由此得到的葉片型線在每個流線上是光滑的,為了保證在整個流面上的光滑性,還要做進一步的光滑性檢查。為了適應(yīng)數(shù)控機床加工的需要,現(xiàn)在對葉片表面的光滑性要求已經(jīng)很高,要求設(shè)計得到的葉輪能夠與數(shù)控機床的加工精度相適應(yīng)。曹樹良等采用流線迭代法求解軸面流動,根據(jù)軸面流動得到的軸面流網(wǎng)求解葉片骨面與計算流面的空間交線,也就是葉片骨線,然后應(yīng)用逐點積分法進行葉片繪型,設(shè)計得到的斜流泵葉輪和導(dǎo)葉葉片表面光滑,適用于數(shù)控機床加工。
3.4.2、軸面圖形狀
在設(shè)計斜流泵葉輪和導(dǎo)葉的軸面形狀時,通常根據(jù)經(jīng)驗或者已有的模型來確定。在早期的設(shè)計中,葉輪和導(dǎo)葉間的距離很短,葉輪出口邊和導(dǎo)葉進口邊在軸面上的投影是平行的。但是現(xiàn)在的設(shè)計則認為增大葉輪出口邊和導(dǎo)葉進口邊的距離是有利的。葉輪進出口邊的設(shè)計通常遵循下述原則:輪轂側(cè)進口邊前伸以提前對流入葉輪的液流施加力矩,減小液流的相對速度,改善汽蝕性能;增加輪轂側(cè)翼型的葉柵稠密度,使葉輪內(nèi)部的流態(tài)更為穩(wěn)定,防止在非設(shè)計工況下產(chǎn)生二次回流。都築用可控速度矩方法重新設(shè)計的葉輪軸面圖的進口邊與傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果相比符合上述要求。重新設(shè)計后的結(jié)果消除了馬鞍形,優(yōu)于改進前的性能。
為了分析軸面圖對性能的影響,斉藤等對比轉(zhuǎn)速為330的斜流泵進行了流場計算及內(nèi)外特性試驗研究,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),軸面圖曲率變化越小,內(nèi)部流態(tài)越好,效率越高,但是最高效率點向大流量方向偏移。
3.4.3、葉片安放角
何希杰研究了葉片安放角對性能的影響,并提出了相應(yīng)的統(tǒng)計公式。通常進出口葉片安放角由速度三角形計算出的液流角得到。在傳統(tǒng)的一元理論設(shè)計中,葉片安放角沿流線從進口到出口的變化是單調(diào)的,即二階導(dǎo)數(shù)不存在0值。但是根據(jù)逆向求解法設(shè)計得到的葉片安放角變化規(guī)律則不同,圖4所示為桜井設(shè)計的比轉(zhuǎn)速為637的斜流泵的葉輪輪轂處葉片安放角變化曲線。
3.4.4、斜流泵葉輪輪緣間隙的影響
葉輪輪緣處間隙會影響泵的容積損失,從而影響泵的性能。錢涵欣等人研究了斜流泵輪緣間隙大小的不同對性能的影響。隨著間隙的增大,效率下降,同時由于葉片的有效翼展減小,揚程和功率也是下降的。從提高效率的角度看,間隙越小越好。從加工工藝上講,間隙越小制造越困難。所以設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體條件盡可能取較小的間隙,以便提高泵的效率。
由于葉輪葉片的工作面和背面存在壓力差,導(dǎo)致葉輪輪緣處間隙會產(chǎn)生間隙射流,從而影響輪緣附近的流動狀態(tài)。原和雄為這種間隙流動建立了簡化的數(shù)學(xué)模型,張春晚對該模型進行了發(fā)展并用于求解斜流泵的輪緣間隙流動,研究發(fā)現(xiàn)間隙內(nèi)射流不僅與葉片工作面和背面的壓力差有關(guān),還與葉片圓周速度以及葉片的角度密切相關(guān),間隙射流會引起不可忽視的能量損失。
此外,泵的進口流道形式對葉輪進口流態(tài)也有一定的影響,為了改善斜流泵的進口流態(tài),要求泵的進口與吸水池壁面有一定的距離,有時候還會在泵的進口加裝導(dǎo)流部件以滿足泵進口流態(tài)的要求。
4、斜流泵內(nèi)部流動研究
同離心泵和軸流泵的研究一樣,對內(nèi)部流場的分析成為改善斜流泵性能的重要手段之一。對內(nèi)部流場的研究主要有數(shù)值計算和試驗研究兩種方法。現(xiàn)在應(yīng)用商用軟件求解斜流泵的外特性曲線已經(jīng)達到了較高的精度,特別是在設(shè)計工況點,效率和揚程的計算誤差可以達到1.5%以內(nèi)。
通常斜流泵沒有前蓋板,是一種開式結(jié)構(gòu),因此斜流泵內(nèi)部流場的可視化試驗研究比較容易實現(xiàn)。目前采用的最常用也是最簡單的方法就是油膜法,但是油膜法只能觀測過流部件壁面的流動。PIV是分析葉片泵內(nèi)部流場的較有效的可視化設(shè)備,Miyabe為了分析斜流泵馬鞍形曲線的成因,采用PIV技術(shù)對斜流泵內(nèi)部的流場進行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)了斜流泵內(nèi)部流動失速的發(fā)生和發(fā)展過程,初步對斜流泵性能曲線駝峰的形成原因進行了分析。
5、結(jié)論
(1)總結(jié)分析了斜流泵的結(jié)構(gòu)特點和能量特性。斜流泵出現(xiàn)馬鞍形曲線的原因復(fù)雜,但是可以確定的是與軸面圖設(shè)計、進口葉片安放角設(shè)計等有關(guān)系;
(2)現(xiàn)有的研究表明,除了高比轉(zhuǎn)速斜流泵外,通過控制速度矩設(shè)計可以有效的消除斜流泵的馬鞍形曲線。斜流泵外特性與葉片表面載荷分布以及速度矩分布等密切相關(guān)。但是如何最優(yōu)的控制速度矩仍然是不確定的;
(3)斜流泵的設(shè)計與繪型技術(shù)要求滿足數(shù)控加工和快速成型的要求;
(4)對內(nèi)部流場的計算是分析斜流泵性能的重要手段之一。通常斜流泵的葉輪是開式的,因此其可視化試驗研究比較容易進行。