不同导叶叶片掠角下轴流泵段水力特性分析及试验
2023-10-24
来源:乌哈旅游
90 第31卷 第14期 2015年 7月 农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering v0l-31 NO.14 Ju1.20l5 不同导叶叶片掠角下轴流泵段水力特性分析及试验 石丽建,汤方平※,周捍珑,涂恋恋,谢荣盛 (扬州I大学水利与能源动力工程学院,扬州225100) 摘要:考虑到轴流泵叶轮出口导叶进口区域水流复杂,该文在常规设计导叶基础上通过改变导叶叶片前掠和后掠的角 度,期望导叶能够尽可能的回收叶轮出口的速度环量,提高轴流泵段的效率。该文采用计算流体动力学软件研究后置导 叶在不同的扫掠角度下对轴流泵段水力性能的影响。以常规设计导叶为基础,一共研究计算了6种不同导叶扫掠方案, 每种导叶扫掠方案又计算了8个不同流量工况点。根据数值模拟结果,分析了不同导叶扫掠角度对轴流泵段能量特性的 影响,对导叶和出水弯管的水力损失进行了定量计算。最后对前掠16。导叶进行了泵段能量性能试验,并结合数值模拟对 该文主要结论进行验证分析。研究结果表明:导叶扫掠角度对轴流泵段性能影响主要体现在小流量工况,且导叶叶片前 掠效果比后掠好;导叶叶片前掠16。时,整流效果最好,导叶损失和出水弯管损失最小,效率最高;试验数据与数值模拟 结果各点误差在3%以内,验证了数值模拟结果的可靠性、准确性。研究结果不仅有助于导叶水力性能的优化设计,同时 对提高泵段的效率提供了参考。 关键词:泵;设计;数值计算;轴流泵;后置导叶;扫掠;试验分析 doi:10.119750.issn.1002—6819.2015.14.013 中图分类号:TH312 文献标志码:A 文章编号:1002—6819(20151—14—090—06 石丽建,汤方平,周捍珑,等.不同导叶叶片掠角下轴流泵段水力特性分析及试验[J].农业工程学报,2015,31(14): 90—95.doi:10.119750.issn.1002—6819.2015.14.013 http://www.tcsae.org Shi Lijin,Taang Fangping,Zhou Hanlong,et a1.Axial-lfow pump hydraulic analysis and experiment under diferent swept—angles ofguide vane[J].Transa ̄ions ofthe Chinese Society ofAgricultural Engineering(Transactions ofthe CSAE),2015,31(14):9O一 95.(in Chinese wiht English abstract)doi:10.11975 ̄.issn.1002—6819.2015.14.013 http://www.tcsae.org 0引 言 轴流泵具有流量大、扬程低、比转速高等特点,广 泛应用于农田灌溉、防洪除涝和南水北调等大型跨流域 调水工程。研究轴流泵水力性能的方法主要有理论分析 和模型试验的方法。而随着近年来计算机技术的逐步发 展和完善,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对轴流泵段和泵装置进行数值计算 研究越来越多,并且取得了较好的结 训。数值计算方 法计算周期短、耗费低,并且能够得到水泵的内特性结 果【5 】,为一种比较好的研究方法。 设置导叶的目的是为了调整水流方向、减小乃至消 除水流的速度环量,将水流的旋转动能转化为压能。导 叶的水力设计对泵段或泵装置水力性能的影响是个值得 研究的问题。汤方平等【1 1对轴流泵后导叶回收能量进行了 理论的计算分析,计算了不同比转速的泵段理论上导叶 可回收的最大旋动能,得出了后置导叶能回收绝大部分 收稿日期:2015.05.22 修订日期:2015-07.06 旋动能,对提高效率不可或缺。同时通过试验对比分析, 得出导叶不会影响叶轮的性能,对泵性能的影响取决于 导叶自身的能量回收和叶型损失。李忠等【8】对导叶对轴流 泵性能的影响进行试验研究,通过模型试验的手段测量 出有导叶与无导叶情况下的外特性曲线,得出导叶对轴 功率几乎没有影响,但是在无导叶情况下扬程线和效率 线降低很多。还有一些文献【9。2J通过CFD手段研究导叶 对轴流泵装置性能的影响,通过研究表明,无导叶的情 况下叶轮出口水流紊乱,有很明显的回流和旋流。刘承 江等["】从叶片安放角和叶片数这2个方面对轴流泵导叶 进行了整流性能改进分析,得出增加安放角和叶片数可 提高整流效果。基于前人对轴流泵导叶作用的研究分析, 无论是理论计算、试验研究还是CFD计算分析,可知后 置导叶对轴流泵段和泵装置性能影响很大,不可或缺。 但是目前有关导叶如何尽可能回收环量以及导叶如何提 高泵段水力性能的文献资料较少。 目前导叶设计各断面翼型是按径向排列的,没有考虑 导叶叶片的前掠后掠,而对于水泵叶轮和风机叶片考虑到 进口流态的不均匀采用扫掠叶片的研究已有很多【1 ,也 得到了很好的结论。然而注意到轴流泵叶轮出口导叶进 口水流流态非常复杂,本文改变导叶叶片前掠和后掠角 基金项目:国家自然科学基金项目(51376155);十二五农村领域科技计划 项目(2012BAD08B03—2);江苏高校优势学科建设工程资助项目。 作者简介:石丽建,男,江苏如皋人,博士生。主要研究方向:流体机械功 能曲面多学科设计优化研究。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院, 225100。Emaih yzdxslj@126.corn ※通信作者:汤方平,教授,男,浙江金华人,教授,博士生导师。研究方 向:流体机械设计,复杂工程系统科学优化设计,泵站自动化等。扬州州大学水利与能源动力工程学院,225100。Email:yzdx tfb @263 .net 度,采用数值模拟结合模型试验的研究方法,分析后置 导叶前掠和后掠对轴流泵段水力性能的影响,期望让导 叶尽可能地回收速度环量,提高泵段效率。 扬 第14期 石丽建等:不同导叶叶片掠角下轴流泵段水力特性分析及试验 93 2.3后置导叶内部流态结果分析 选取设计工况对不同扫掠角度的后置导叶内部流态 进行分析。不同角度下导叶进口内部流场较好,整体分 布趋势一致。但是在导叶背面靠近轮毂处出现明显的脱 流现象。取出距导叶轮毂叶片宽度的1/5的导叶翼型,得 到如图6所示的不同扫掠角度下导叶翼型矢量图。 根据图6可知,导叶后掠的2种情况导叶叶片背面 脱流比较严重,而随着前掠角度的增大,脱流现象越来 越不明显。可以说明前掠导叶能够更好的起到对泵段流 场整流的作用,说明了采用前掠导叶对泵段能量性能的 改善有很好的作用。同时导叶在回收叶轮出口水流速度 环量的同时不可避免会产生导叶自身的水力摩擦损失和 水力撞击损失。从图中可以看出前掠导叶流场更均匀, 脱流范围比较小,导叶自身的水力损失比较小。值得注 意的是,导叶最主要的作用是回收环量,但不可能将叶 轮出口的速度环量全部转化为压能,根据文献[22]可知, 导叶回收的环量越大,导叶出口的剩余环量越小,弯管 段水力损失就越小,整个泵段的能量性能就会越好。现 将不同扫掠角度下导叶进口、导叶出口和弯管出口的总 压取出,根据式(1)求出导叶和出水弯管的水力损失。 : (1) pg 式中:h表示水力损失,m;P2 ’、P 分别表示出水端总 压和进水端总压,Pa;P为水的密度,kg/m 。 根据数值模拟结果将导叶出口轮缘侧和轮毂侧速度 取出,据式(2)求导叶出口速度环量,计算结果如表1。 r= dL一 dL (2) 式中:F表示速度环量,m2/s; 2、 1分别表示导叶出 口轮缘侧和轮毂侧水流切向速度,m/s; 表示周长,m。 表1水力损失计算结果 Table 1 Calculation results ofhydraulic loss 七1 导叶进口导叶出口 出水口 导叶水力弯管水力导叶出口速 压强 压强 压强 损失 损失 度环量 厘 Inlet 0utlet Outlet Hvdraulic Hydraulic Outlet ar :e pressure ofpressure ofpressllre of i0ss 0f i0ss 0f circulation 0f ide vane guide vane outlfow guide vane outlfow guide vane P/Pa 胁 oioeP/Pa him pipe h/m F/(m2.S 1 注:“+”表不前掠,“-”表不后掠。 Note:‘‘+”meoxls forward swept.“一”means back swept. 据计算结果可知,设计工况下后掠导叶翼型尾部脱 流严重,后掠导叶水力损失和弯管水力损失都比导叶前 掠大得多,且在导叶前掠l6。时导叶水力损失、导叶出口 速度环量和弯管水力损失都达到最小。说明导叶前掠l6。 时,导叶能够最大量回收速度环量,减小导叶出口剩余 速度环量,同时导叶自身水力损失最小,整流效果最好。 3模型试验验证 3.1泵段试验系统 根据泵段数值模拟结果,将轴流泵叶轮、对应的前 掠l6o导叶、进出水管道加工出来进行泵段试验研究。泵 段试验在扬州大学测试中心的高精度水力机械试验台上 进行。试验台为立式封闭循环系统。在该试验台上对导 叶前掠1 6。方案进行泵段能量性能试验。试验条件包括进 出水管道的长度、测压管位置等与数值模拟条件一致。 叶轮如图7a所示,用黄铜材料经数控加工成型。导叶如 图7b,叶片数为7,用钢质材料焊接成型。模型泵段进 出口直径350 mln,带60。标准弯管,叶轮室开有观察窗, 便于观测叶片处的水流形态。模型泵段安装检查,导叶 体与叶轮室定位面轴向跳动0.10 mm,叶轮轮毂外表面 径向跳动0.08 inln,叶轮外壳直径300 mm,叶顶单边间 隙约为0.20mm。 一一 a.模型叶轮 b.模型导叶 a.Model impeller b.Model guide vane 图7叶轮和导叶实物图 Fig.7 Physical map of impeller and guide vane 3.2测试方法 1)扬程测量 从大流量到小流量依次测试18个以上的不同工况 点。泵扬程 等于泵段进出口两测压断面的总能头差, 如图8所示。 图8测压断面示意图 Fig.8 Pressure section test schematic 总能头差等于两断面静压差与动压差的代数和: TⅣ= \、pg )\・+Z2--Z1Pg ]+(、善一zg ) 2g] ㈩ 式中:Z2、Z1分别为出口、进口测压断面的中心高程,m, u2、“1分别为出口、进口测压断面水流速度,rrds, (p2r/pg__p1rlpg+z2-z1)为静压差(即静扬程),在扬程测 94 农业工程学报(http://www.tcsae.org) 2015年 量系统的差压变送器上2个测管接头位于同一水平位置 时,压差可由此差压变送器测得,kPa,再换算成m; (U22/2g—U12/2g)为动压差,由流量及两测压断面过水断面 积计算而得,nl。由于进、出口测压断面过水断面积相等, 因此,动压差近似为0。 2)流量测量 掠16。时,整流效果最好,导叶损失和出水弯管损失最小, 效率最高。 模型泵的流量采用DN400电磁流量计(大连鑫东兴 仪器仪表有限公司)测量。 2)设计工况下,后掠导叶翼型尾部脱流严重,水力 损失较大;前掠导叶整流效果较好,水力损失较小。特 别的当导叶前掠16。时对泵段性能改善起到很好的作用。 3)根据试验分析,试验数据与数值模拟结果各点误 差在3%以内,基于数值模拟的不同导叶扫掠角度的泵段 能量性能分析是可靠和准确的。 [参考文献] 3)轴功率测量 模型泵段试验中机械损失转矩主要由轴承与轴封摩 擦损失等造成,在机组无水运转时测出。每次调整叶片 安放角度后先测试空载转矩,再充水进行性能试验。泵 轴的转速和输入转矩,由安装于驱动电机和水泵轴之间 的zJ型转速转矩传感器(上海良麦电子仪器有限公司) 直接测得。本文所指的模型泵段效率为扣除机械损失转 矩后的数值,由式(4)计算。 ,7: 星 ×100% (4) ‘ nn(M— 、 式中:叩为模型泵段效率,%;Q为模型泵段流量,m3/s; 为模型泵段扬程,m; 为模型泵段输入转矩,N・in; 为模型泵段机械损失转矩,N・nl;n为模型泵段试验转 速,设置为额定转速1 450 r/min。 3.3模型泵段试验结果 模型泵段试验测试得到了叶片安放角为0的性能数 据。将部分试验数据结果取出跟数值模拟结果进行对比 分析,如图9所示。 [1] 汤方平,王国强,刘超,等.高比转数轴流泵水力模型设 计与紊流数值分析[J].机械工程学报,2005,41(1):l19— 123. 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Key words:pumps;design;computer simulation;axial—flow pump;post guide vane;sweep;experimental analysis