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1、 双向轴流泵项目（导叶部分）总结报告一 项目概况1. 研究背景轴流泵多应用于大流量、低扬程的场合，在水利建设中使用广泛，如南水北调作为国家重大跨流域调水工程，其东线工程一期己开工建设，需要新建21座和改建3座泵站，新安装大型水泵95台套，总装机功率2339万kw，设计扬程为2.3m-9.0m，单机设计流量为25ms/s，年运行5000-8000小时，其中绝大多数为轴流泵站，所以，提高轴流泵的效率对国民经济建设有重要意义。目前，提高轴流泵效率的主要方法是在叶轮后面加装导叶，导叶的作用是消除叶轮出口处液体速度的圆周分量, 将那部分动能转化为压力能, 从而提高水泵扬程和效率。对于轴流泵, 其导叶一般
2、能够回收大约4%-8%左右的动能，比转速越低，效率提高越大。双向轴流泵是一种通过正反转来实现双向抽送介质的特殊的轴流泵形式，该泵通过正反转来改变进出口，使得原先的进口变为出口以改变流体的传输方向从而达到双向输送的目的。多用于大型调水工程或大江大湖的水治理工程。目前对于高比转速的双向轴流泵模型，所做的研究的为数不多。2. 任务目标本次课题任务目标要求流量：414L/s扬程：2.65m效率：正向75%。反向不低于正向效率的60%比转速：1200-1600包括样机制造与实验，项目需在两年内完成。二 项目技术总结1. 研究理论分析（1）.理论概况双向轴流泵是一种通过正反转来实现双向抽送介质的特殊的轴流
3、泵形式，该泵通过正反转来改变进出口，使得原先的进口变为出口以改变流体的传输方向从而达到双向输送的目的。目前对于高比转速的双向轴流泵模型，所做的研究的为数不多。目前双向轴流泵叶片多采用“S”型叶片，提高轴流泵效率的主要方法是在叶轮后面加装导叶，图1 后导叶形式导叶的作用是消除叶轮出口处液体速度的圆周分量, 将那部分动能转化为压力能, 从而提高水泵扬程和效率。对于轴流泵, 其导叶一般能够回收大约4%-8%左右的动能，比转速越低，效率提高越大。普通轴流泵导叶设计方法主要有：升力法、积分法（圆弧法）和流线法等，但一般采用流线法设计。（2）.合理选择双向轴流泵的导叶数 轴流泵导叶的作用是消除从叶轮出口流
4、出液流的速度环量,将液流圆周速度的动能转换为压力能,井利用其扩散作用将部分轴面速度的动能转换为压力能。为此,在轴流泵的导叶体中设置一定数目的导叶是必要的。但在轴流泵导叶设计中,导叶数是根据比转数来选定。推荐的导叶数为5-8，或5-10,高比转数轴流泵取小值,且要求导叶与叶轮的叶片数最好互为质数。 由于轴流泵的比转速范围比较大，因此在计算中，特别是对于高比转速轴流泵，导叶数大多是取其最低值，但在校核导叶相邻两叶片之间的扩散角时，我们就会发现其扩散角偏小。扩散角偏小说明：导叶数选择不当，或者说液流在进入导叶的叶栅时，在相邻两导叶间由于液流的减速而得到的压力增量不大。为此，从满足一定扩散角的条件下，
5、针对轴流泵比转速的应用范围，确定合理的导叶数，这样，一方面能使液流在导叶中得到充分的能量转换，同时又尽可能的减少在导叶中的水力摩擦阻力瞬时，从而可以改善和提高轴流泵的性能。 从分析，计算表明：轴流泵的导叶数和比转速有关，随比转数增加导叶数减少，轴流泵的导叶数除了从水力性能上考虑外，还需要满足结构上的要求。综上，本次导叶数经过数值模拟对比暂定为5。（3）后导叶的叶栅稠密度 叶栅稠密度是后导叶最主要的几何参数之一。随着后导叶叶栅稠密度的增加，一 方面摩擦损失增大，扩散损失减小，另一方面后导叶回收能量的作用增大，应该存在一定的叶栅稠密度值，在其它条件相同时，后导叶叶栅具有最佳能量性能。 毫无疑问,增
6、加后导叶叶栅稠密度有利于消除水流的圆周运动,但会增加叶片上水流的摩擦损失 小流量工况下,叶轮出流旋转强烈,增加叶栅稠密度能充分而有效地回收水流的动能,在克服由此产生的咐加摩阻、撞击等水力损失后,能提高泵的净扬程秘效率 随着流量增大,泵对导叶消除水流圆周运动的要求逐渐减小,摩阻作用却愈演愈烈 因此,增加导叶叶栅稠密度,虽使水流能量转换比较充分地进行,但急剧增加的摩擦、撞击等损失,终究使水泵效率降低。我们不妨认为后导叶的翼型损失近似等于摩擦损失与扩散损失之和这样可以将水泵的水力效率表示如下：式中a,b和C是仅与后导叶叶栅几何参数有关的系数，他们反映了叶栅升阻力之间的关系，即令有由于 是恒小于零的数
7、，因而对给定的的转轮而言，该点的l/t即为后导叶的最佳叶栅稠密度。 图2 最佳叶栅稠密度与比转速的关系因此对于给定的最优效率的叶轮来说，最佳叶栅稠密度应为0.95。（4）后导叶叶片进口角导叶进口角是对导叶叶栅绕流性能有重要影响的因素之一。假定设计工况时导叶前水流轴向速度和幻量沿径向保持不变，流动呈轴对称，即那么，导叶前入流角为 由于恒大于零， 恒小于零，因此的变化趋势如图所示 图3 导叶前入流角的径向分布 实际上，在导叶轮毂和外缘附近，由于边界层和端部效应的影响，使轴向速度减小，圆周速度增加。因为，即使在设计工况下，实测结果也与计算的结果存在一定的差异。众所周知，入流冲角是决定叶栅绕流性能的重
8、要因素。导叶入流正冲角在较大范围内变化时，不会对轴流泵效率产生任何不利的影响，但当冲角超过某一临界值时，水泵效率会急剧下降。这是由于冲角的过分增大对导叶进口入流条件产生了极为不利的影响，导致能量性能的剧变。因此，设计导叶时应使设计工况下导叶前入流具有合适的正冲角，以便水泵在正常运行的大部分区域内，导叶进口角为正，且不超过临界值。为此，必须对由计算确定的水泵叶轮出口水流角进行修正。 图4 （5）轴向间距 一般而言，轴流泵叶珊组包括旋转的叶轮叶栅和静止的导叶叶栅，在一定范围内，轴向间距的改变不影响泵的流量扬程特性，但对效率性能曲线有明显的影响。在一定的叶轮转角下，轴向间距越大，水泵效率越低。这是由
9、于轴向间距加大，意味着叶轮出口水流自由混合的空间行程增加，高速水流在此作不规则的自由掺混，造成了较大的水流损失，此外，减少两叶栅的轴向间距，由于期间环量损失的减少，将使最优扬程上升，最优流量下降。 图5 考虑到实际应用可能性，S取0.05-0.10 D范围内选取。导叶片的进口与叶轮叶片的出口边之间的距离一般情况下s一(0.05一0.)lD或S=(0.10一0.巧)L。这个距离太小，轴流泵运行时将不稳定，加工困难;如果太大又将增加轴流泵的水力损失。若轴流泵叶轮的叶片式可以转动的，这个距离应当保证在叶片安放角最大时不能与导叶片相碰。（6）后导叶设计参数轴流泵叶轮的设计方法主要有升力法、圆弧法和奇点
10、分部法等。对于一个比较好的叶轮模型，还可以通过模型换算法确定新的叶轮尺寸。升力法是一种半理论半经验的设计方法，它依据的基本假定是:叶片数目较少;翼型间相互影响不大;叶栅中翼型的绕流情况接近于单个翼型的绕流情况。由于以上的假定，叶片的设计可按单个翼型设计，然后考虑翼型间的相互影响而加以必要的修正。而修正的数据是由许多实验得来的。所以，升力法是一种半经验半理论的设计方法。圆弧设计法是一种利用图表设计轴流泵叶轮叶栅的圆弧薄翼型设计方法，该方法是利用沿叶栅中翼型连续分部的奇点代替叶栅，从而将绕叶栅的流动计算转化为平流和奇点感生流的迭加计算。模型换算法是利用一台己经投入生产的水泵作为模型，在符合相似准则
11、的情况下，根据水力机械相似原理，换算成所要设计的水泵。也就是说，设计的新泵与模型泵两者的过水机构(叶轮，导叶等)之间要符合几何相似、运动相似、动力相似条件且比转数相等，这两台水泵的性能也一定相似。轴流泵导叶片设计的方法有很多，通常使用的有流线理论设计法(简称流线法)、升力法和圆弧法，其中流线法使用最为广泛。流线法是以叶片无穷多的假定为设计基础。流体质点相对于流道运动的速度方向就是叶片表面的切线方向，即流线与叶片的表面重合。所以，流线法的导叶设计就是通过绘制流线来获得到叶片表面形状的一种设计方法。 升力法设计轴流泵导叶步骤与叶轮一样，通常用于高比转数轴流泵的导叶的设计。对于给定的双向叶轮，便有一
12、个具体的叶轮出口条件，根据这个出口条件编程计算后导叶的相关参数，具体参数： 表2 导叶截面参数2. 研究方法分析（1） 方法概况对轴流泵内部流体流动状况的研究主要有两个方法：一是数值模拟计算，二是实验测试。近年来随着计算机的飞速发展，数值分析、流体力学等学科的完善，直接利用数值计算方法求解非线性联立偏微分方程组逐步得以实现，数值模拟计算已成为提高泵性能的重要手段之一。数值分析一般采用雷诺平均的 Navier-Stokes 方程作为控制方程，紊流模型选用 k- 模型。通过 CFD 方法对轴流泵内部流场进行全三维数值模拟，得到液流的速度矢量及压力分布，分析导叶对叶轮流场的影响，导叶对叶轮出口环量的
13、回收情况和及其对整个泵装置性能外特性的影响，从而进行了导叶的选型、设计。一直以来，实验测试是研究轴流泵叶轮内部流动规律的重要手段。虽然实验装置结构复杂、运行成本较高、研究周期较长，但是要了解装置内部流场的真实流动过程和在这基础上形成的理论，都必须要进行深入细致的试验研究才能得以实现；同时数值计算只能作为一种模拟手段，它的可靠性和准确程度也迫切需要实验测试提供大量可靠的数据验证。（2） 数值模拟计算计算域包括进水段、叶轮、导叶体、弯管四部分，三维建模采用Unigraphics软件完成。为保证计算结果的准确性，各部分网格均采用六面体结构化网格，网格在ICEM-CFD软件中生成，计算域的实体造型和网格如图6、7。图6 计算模型 图7 六面体结构化网格图8 CFD数值模拟过程
