閔家萬
上海市原水股份有限公司

　　一　引言

　　上海市黃浦江上游引水二期工程，使用了12臺大型立式混流泵，其葉輪前均裝有德國KSB公司制造的前置導(dǎo)葉裝置(Inlet Vane Conttrol Device VR)，目的是為了實現(xiàn)在較寬廣的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)泵的使用性能。泵組結(jié)構(gòu)如圖1所示，其參數(shù)為：流量Q＝6.5M³／S，揚程H＝15.5M，轉(zhuǎn)速n＝297rpm，比較數(shù)ns＝353，效率η＝0.80，軸功率P＝1400KW。前置導(dǎo)葉裝置(簡稱VR裝置)目前在國內(nèi)外水泵上使用不多，這方面的技術(shù)資料和報導(dǎo)很少。為此，作者根據(jù)近三年來對泵的運行情況觀察及有關(guān)的試驗數(shù)據(jù)和技術(shù)資料，就VR裝置使用調(diào)節(jié)對水泵性能的影響及原因作些分析研究，以便對VR裝置有較客觀正確的認(rèn)識，從而對此類泵的實際使用控制提出些參考意見。

　　二 前置導(dǎo)葉裝置對水泵性能的影響

　　我們使用的這套VR裝置為圓環(huán)形，導(dǎo)葉為直葉式，共17片，葉片長500mm，裝置通徑1300mm，見圖2。該裝置由電機驅(qū)動，通過裝有萬向節(jié)的多節(jié)傳動桿將轉(zhuǎn)矩傳到裝置輸入軸上，然后通過裝置內(nèi)的齒輪系統(tǒng)使各葉片同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度目的。

　　KSB公司設(shè)定，以VR裝置導(dǎo)葉片與水平面垂直為90º，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動傾斜方向與泵葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致時為減角度(即角度變小)；當(dāng)葉片傾斜方向與泵葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反時為增角度(即角度變大)。下面首先就水泵裝與不裝前置導(dǎo)葉，對水泵性能的影響作些分析。
　　(一)未裝前置導(dǎo)葉與裝有前置導(dǎo)葉且葉片角度為90º時泵性能的比較
　　根據(jù)KSB公司提供的資料以及我們研究人員作的相關(guān)試驗，作者繪制了裝有前置導(dǎo)葉且葉片在90º時，與無前置導(dǎo)葉裝置的泵二者特性曲線對比，如圖3。從圖上，我們可以得出以以結(jié)論：

　　1.無前置導(dǎo)葉與前置導(dǎo)葉90 º時泵的Q—H曲線基本上是兩條平行曲線，有前置導(dǎo)葉的Q---H曲線略低些，這是由于加了前置導(dǎo)葉之后，進口液流阻力損失增加而引起揚程下降的緣故。
　　2.從Q一η曲線上看出，兩條曲線基本接近，且有一重合點，此點左側(cè)，有前置導(dǎo)葉的Q一η曲線比無前置導(dǎo)葉的Q一η曲線略高3而此點右側(cè)，有前置導(dǎo)葉的Q一η曲線比無前置導(dǎo)葉的Q——η曲線略低，此重合點正是最優(yōu)工況點。這說明，在最優(yōu)工況下，前置導(dǎo)葉的阻力損失對泵來說微乎其微，不造成什么影響；而在小流量時，由于進水管內(nèi)液流少，流動不均勻，加了前置導(dǎo)葉之后，起導(dǎo)流作用，使液流進口流動均勻性加強，所得效率比原來有所提高；而在大流量時，導(dǎo)流作用消失了，相反因增加前置導(dǎo)葉，阻力損失增加，導(dǎo)致效率有所下降。
　　可見，當(dāng)導(dǎo)葉位置在90 º時，其泵的性能與未裝前置導(dǎo)葉泵的性能基本相近，此時它對泵的特性影響不大。
　　其次，來看看導(dǎo)葉在不同角度時水泵性能的變化。
　　(二)VR裝置導(dǎo)葉在不同角度時對泵性能的影響
　　1 對Q—H性能曲線的影響

　　圖4是有VR裝置的泵在各種導(dǎo)葉角度下的性能曲線。由圖4可以看出，當(dāng)前置導(dǎo)葉向小于90的方向調(diào)節(jié)時，所得到的性能曲線是明顯地向左，并且與90 º角時的性能曲線基本上平行的移動(在連續(xù)運行極限范圍內(nèi))。這是因為此時前置導(dǎo)葉出口液流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向趨向一致，液流在泵葉輪入口前有了一個正向預(yù)旋V_lu(V_lu液流在葉輪進口處絕對速度的圓周方向分速度)，故V_lu＞0(前置導(dǎo)葉為90º。時，V_lu＝0)。由歐拉方程式：

　　H_T=(u₂v₂u—ulv_lu)／g

　　得知，當(dāng)導(dǎo)葉角度向小于90º。方向調(diào)節(jié)時，由于Vlu＞0，則泵的理論揚程HT小于導(dǎo)葉在如。時泵的揚程HT。并且，前置導(dǎo)葉角度取值越小，Vlu值越大，揚程降越大，故Q—H特性曲線向左移。在實際使用中，正是利用這一特性，在保持揚程基本恒定的情況下，使流量隨VR角度變小而變小，從而達(dá)到減少流量的目的。而當(dāng)前置導(dǎo)葉大于90º方向調(diào)節(jié)，此時前置導(dǎo)葉液流出口方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，即產(chǎn)生反向預(yù)旋，故Vlu＜0。同樣由歐拉方程可知，此時泵的揚程HT大于前置導(dǎo)葉在90º時的揚程。而且，前置導(dǎo)葉角度越大，Vlu越小，泵的揚程增加越大，Q—H特性曲線向右移。所以，可以在一定的揚程下，使泵的流量隨導(dǎo)葉角度變大而增加。實踐說明，上述作用是明顯的。
　　2 對水泵效率η的影響
　　由于前置導(dǎo)葉向90º位置兩邊調(diào)節(jié)，使液流在進入泵葉輪前分別產(chǎn)生了正向預(yù)旋和反向預(yù)旋，在葉輪葉片進口邊產(chǎn)生絕對速度V1的圓周分量Vlu，因而使葉輪進口速度三角形發(fā)生變化，見圖5所示。實線為無預(yù)旋時的速度三角形，虛線分別為產(chǎn)生正向預(yù)旋和反向預(yù)時的速度三角形。從圖中可以看出，三種狀況下的相對速度ω1大小不一樣，ω′1為液流正向預(yù)旋時的相對速度；ω″1為液流反向預(yù)旋時的相對速度。顯然ω1隨導(dǎo)葉角度值增大而增大。

　　從圖6中我們可以清楚的看到，前置導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)對水泵效率的影響是明顯的。當(dāng)導(dǎo)葉處在90º位置時，水泵運行的高效區(qū)范圍最大，效率最高。當(dāng)導(dǎo)葉角度逐步增大或逐步減小時，水泵運行效率也逐步下降。并且，導(dǎo)葉角度偏離90º位置越遠(yuǎn)，效率下降越大且越明顯，使泵不能正常運行。因此，我們將泵的前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)角度限定在75º—110º。范圍之內(nèi)，以使水泵能在75％以上的效率范圍內(nèi)安全運行。
　　在75º---110º范圍之內(nèi)，水泵的運行效率變化，根據(jù)我們對所作測試數(shù)據(jù)的分析，有以下規(guī)律：

　　當(dāng)導(dǎo)葉在75º----95º范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)時，水泵的運行效率變化較小，而且效率較高；而一旦導(dǎo)葉向大于95º方向調(diào)節(jié)時，水泵效率將明顯地加速下降。表1是三臺同類型泵在不同導(dǎo)葉角度下運行效率的測試數(shù)據(jù)：

　　對于上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可以用歐拉方程和速度三角形來分析：由前述我們知道， 75º—110º。范圍之內(nèi)當(dāng)導(dǎo)葉向小于90º方向調(diào)節(jié)時，液流產(chǎn)生正預(yù)旋V_lu，會降低泵的理論能頭HT。但是，由于相對速度ω1減小，使液流對葉輪的沖擊損失大為減少了，故泵的效率沒有明顯下降；相反，在導(dǎo)葉角度向大于90º方向調(diào)節(jié)時，雖然液流產(chǎn)生反預(yù)旋Vlu，提高了理論能頭H_T。但是，由于相對速度ω1增大，使液流對葉輪的沖擊損失增大了，故效率有相對明顯的下降。如果當(dāng)導(dǎo)葉角度向極限以外調(diào)節(jié)時，將使流量偏離設(shè)計流量Q_d，液流沖角。發(fā)生變化，此時在葉輪葉片的工作面會形成旋渦區(qū)，引起更大的沖擊損失，泵的效率更低。
　　綜上所述，我們認(rèn)為：前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)引起水泵效率變化，液流的預(yù)旋和對葉輪的沖擊損失是主要因素。因此，前置導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)是有限度的。即使在限定的75º一110º的使用范圍之內(nèi)，也應(yīng)避免水泵長時間在極限角度下運行。
　　3 對水泵汽蝕性能的影響
　　很顯然，當(dāng)前置導(dǎo)葉向大于90的方向調(diào)節(jié)時，由于液流產(chǎn)生反預(yù)旋，使液流在泵葉輪入口的相對速度ω₁增大，液流對葉輪產(chǎn)生撞擊作用，隨著導(dǎo)葉角度不斷增大，這種撞擊也更趨嚴(yán)重，對水泵的汽蝕性能有不利影響。
　　由水泵汽蝕基本方程：
　　NPSHr=λ₁V²₀／2g十λ₂ω₁²／2_g
　　得知，由于相對速度ω¹的增大，使得必需汽蝕余量NPSHr大大增大，從而使水泵的汽蝕性能下降。所以，在操作使用中，要依據(jù)水泵的汽蝕特性曲線以及水位和揚程的變化，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度，以保證有效汽蝕余量NPSHa大于必需汽蝕余量NPSHr。此外，由于液流對葉輪的撞擊作用，水泵葉輪處的振動值也隨著導(dǎo)葉角度增大而變大。表2是某臺泵在一定的水位時，前置導(dǎo)葉角度變化與葉輪處振動值的相應(yīng)數(shù)值。

　　三 結(jié)束語

　　水泵前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)能有效改變水泵運行工況，在較大程度上滿足生產(chǎn)使用要求。同時，由于導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，液流方向改變，使液流對葉輪的沖擊和能頭損失增大，造成泵的運行效率下降，并影響水泵的汽蝕性能。但是，只要將導(dǎo)葉調(diào)節(jié)范圍限定在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域內(nèi)，那么其負(fù)面作用就不會太大。

參考文獻

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