“S”翼型叶片双向轴流泵设计

徐宝辉



“S”翼型叶片双向轴流泵设计

徐宝辉

（浙江佳力科技股份有限公司，浙江 杭州 311241）

我国沿海以及沿江湖滨地带泵站的扬程不高，轴流泵比较普及，大多数的泵站通常都需要具备双向抽水功能。如果对机组进行直接性反转，则能使反向抽水有效实现，能够有效简化泵站运行管理，提高经济效益。“S”翼型叶片双向轴流泵是具有双向抽水功能的新系列泵型。在对“S”翼型叶片双向轴流泵进行设计的过程中，可以同时兼顾反向性能，从而使其变成低扬程双向泵站设计的最佳泵设计方案。实践研究表明，有着近似的正反性能的双向轴流泵在低扬程双向泵站中十分适用。

“S”翼型叶片；轴流泵；双向运行；气蚀

在对单向翼型普通轴流泵进行使用的过程中，反转叶轮的过程中应当进行反向抽水，但因为叶片翼型在这一过程中会出现反拱状态，导叶会导致进口水流和叶轮转向产生相同的进口预旋，在很大程度上降低了叶轮的气蚀性能与能量，如果叶片脱流比较严重，就会产生十分激烈的噪声、振动、气蚀等，导致工程在运作过程中出现安全事故。想要使轴流泵叶轮的反向反转性能得到有效提升，要运用升力法与简化三元流动模型有效设计双向轴流泵。

对常规轴留泵和“S”翼型叶片双向轴流泵的正向性能进行比较，最高的效率点降低了2%～4%，有着相同的汽蚀性能。重点探讨了“S”翼型叶片双向轴流泵的设计方案，希望对相关工作者带来一定的参考。

1 双向泵与单向泵性能对比

在对常规翼型的轴流泵进行使用的过程中，如果直接反转叶轮，则会降低抽水时的流量，降低最大扬程与最高效率，尤其会降低气蚀性能。想要让叶轮正反性能一致，需要反向对称的翼型。在设计双向泵的过程中，可以对双头双机翼反向对称翼型、双圆弧“S”型翼型、平板翼型进行有效运用。因为平板翼型性能的缺失，通常情况下不予使用。冲角能够提供对称翼型的升力，通常情况下升力不能高于0.8，所以，双向泵扬程通常情况下不能高于5 m，这样才能使气蚀性能与工程要求相符。想要与常规单向叶轮进行对比，需要在标准泵中对双向叶轮开展单向试验。试验过程分为有、无导叶两种情况，有导叶最高效率为78%，常规单向泵的流量扬程接近，最高效率为81%～83%.造成这种状况的主要是常规翼型升阻高于反向对称翼型升阻，相比于常规翼型，反向对称翼阻力系数一致，升力系数有所上升。在对双向轴流泵进行分析的过程中，将一方抽水归为正向。在进行正向抽水的过程中，将导叶布置于叶轮上游方向，称之为前导叶，将导叶布置在叶轮的下游方向，称之为后导叶。如果出水与进水流道接近，并不使用前后导叶，则正方向性能一致。在理想状态中，装置最高效率为70%～72%.叶轮需要一定的结构予以支撑，这些结构在支撑的过程中充当了短直导叶，会对性能产生相应的影响。由于进出水流道所产生的影响，双向装置只可达到62%～66%的效率，长时间的灌溉会对效率有一定的要求，短时间排涝对流量有一定的要求，所以，可以通过对前后导叶的设置，使正反向装置性能得到有效调节。

2 双向轴流泵翼型的设计

如果反转轴流泵、反向抽水，则以往的叶片进口边会变为出口边，以往的翼型压力面会转变为吸力面。如果转动方向以及水流固定，则会使叶片进行180°的旋转。想要保证叶轮拥有反向以及正向的性能，应当对以下2种翼型进行有效使用：①平板翼型。该翼型的中线为直线。②“S”形的翼型。该翼型的中线为直线。平板翼型的绕流较差，性能并不好，对其厚度进行调整，更改成为流线型的翼型，在双向叶片之中进行有效使用。根据模型开展实验，其能量性能相比于“S”形翼型叶片较为相似，但气蚀性能较差。

3 双向轴流泵叶轮的设计

对简化三元流动模型进行有效使用，转轮出口分布的平均速度与径向简单的平衡方程式为：

式（1）中：u为圆周分速；Z为轴向流速；为半径；为叶轮旋转角速度，=2π/60；R为叶轮效率。

如果给定扬程与流量，则环量的分布状况决定了式（1）之中的轴向流速分布。对叶片外缘环量进行有效降低对提升气蚀性能有着十分重要的作用，对效率影响并不大，外缘环量在通常情况下为0.95.对叶片轮毂环量进行有效降低后，能够使叶片根部扭曲过大的问题得以解决，在通常情况下，轮毂环量通常为0.8，从而使轮毂最大安放角不高于45°。

双向轴流泵有着非常低的扬程，在对升力法进行使用的过程中，能够使快速造型得到有效实现。针对推荐翼型，升力系数根据以下公式来进行估算：

ZMS3.5模型设计参数如下：叶片数=4，轮毂比/=0.467，转速=1 450 r/min，扬程=3.6 m，流量=380 l/s。

4 “S”翼型叶片双向轴流泵模型试验

ZMS3.5水力模型在水利动力工程重点实验室之中的高精度水利机械试验台上，通过对标准泵段试验装置的有效运用来开展测试工作，在通过试验台来测试效率的过程中，其综合误差为±0.39%.可对以下2种试验方案进行有效运用：①不使用导叶。②运用比转数s=1 250的常规轴流泵中的导叶来开展导叶实验。

在运用导叶的过程中，其最高效率为78%，扬程参数与高效点流量与设计值较为接近，从而体现了此种设计手段更具可靠性。相似比转数的普通单项轴流泵，其最高效率能达到80%～82%，所以，在使用“S”翼型设计轴流泵时，相比于以往单向翼型的轴流泵，效率会低上2%～4%.在没有导叶的情况下，模型泵的有着71%的工作效率。因此，在双向泵之中，导叶能够将大约6%的能量回收。

因为“S”翼型叶片相互对称，所以，叶轮正反向性能具有一致性。将反向性能测试放在泵段上来实施，无法确保与正向过程中进口段中的流场条件相同，所以，没有实施的意义。双向叶轮需要与实际的工程相结合，将泵装置试验放置在进出水流道上来实施，才具备真正的实施意义。因为装置结构的相应需求，应将导叶布置在另一侧，这会导致正、反向性能出现一定的偏差。结合水流动的方向，通常情况下将导叶所运行的方向归为正方向，相应的，泵站运作过程中的静扬程也得到了进一步的提升，使工况的运作时间得到有效延长。对导叶进行调整，可以协调双向性能，使其满足泵站经济运行的需求。

通常情况下，常规型的单向轴流泵其气蚀性能的最优点往往与高效点相接近，但是“S”翼型双向轴流泵的气蚀性能的最优点与零扬程工况点相接近。从高效点来看，双向泵所具备的气蚀性能能够达到单向泵的水准。

5 结束语

总而言之，在对“S”翼型设计双向轴流泵叶轮进行有效使用的过程中，与以往的常规型单向翼型轴流泵进行比较，效率会降低2%～4%，有着一致的气蚀性能，其优点主要体现在双向泵叶轮拥有一致的正向性能与反向性能；在对升力法设计双向泵以及简化三元流动模型进行有效使用的过程中，对于所推荐出的“S”翼型，通过试验的验证证明其具备一定的可靠性；双向泵可以在扬程为0的周边稳定、安全运行，在设计双向泵叶轮的过程中，与常规的流量系数相同；在优化双向叶轮的过程中，结合实际进出水流道研究，有着非常重要的现实意义。

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2095－6835（2018）18－0142－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.142

〔编辑：张思楠〕