导向叶片安装角度对双向轴流水泵水力特性的影响

徐云英

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

1 双向轴流泵的结构

双向轴流泵由叶轮、泵壳、泵轴、轴承、导向装置、电机等部分组成，是一种流量大、扬程低、轴向体积小的泵，广泛应用于水利、城市给排水、市政工程、环保、航空航天等领域。它的结构与普通的轴流泵类似，但其叶轮和导叶具有双向进出水口（即入口与出口并排），在水流进入叶轮的同时从出口环流回到叶轮，形成相应的水流动能。

（1）叶轮一般采用多翼叶或螺旋叶结构，截面呈扇形或拱形。其中，多翼叶叶片通常安装在泵轮的两侧，几乎所有的液流伸向叶片时都有两个相对的分支；螺旋叶则会使液体沿着自旋的方向流动，可以减少流体的剪切力、提高效率。

（2）导叶出口的安放角是双向轴流泵结构设计中的关键因素之一，安放角增大时泵的扬程将增加、减小时泵的流量将增加。

双向轴流泵有结构紧凑、体积小、效率高、使用寿命长等特点，通过合理的设计和优化，其性能参数也能得到进一步的提高（图1）。

图1 双向轴流泵

2 导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能的影响

2.1 定义与影响因素

导叶出口安放角是指导叶出口流向与轴线的夹角（通常用β 表示），会影响叶轮进口处的进口流量分布，以及导叶出口处的出口流量分布，设计时要尽可能地使流量分布均匀，从而提高双向轴流泵的水力性能。

导叶出口安放角的大小受到许多因素的影响，其中最主要的是叶轮进口流量角和导叶进口流量角。为了使双向轴流泵运行稳定，在安装时需使叶轮进口流量与导叶进口流量方向相对应，即叶轮进口流量角和导叶进口流量角方向相同。根据流量均衡原理，在这种情况下导叶出口安放角应该与叶轮出口角度相等。另外，导叶出口安放角的取值也会受到泵流量、压力和现场布置等因素的影响。为确保双向轴流泵的水力性能，应根据实际情况精确计算和研究其取值。

2.2 对双向轴流泵水力性能的影响

导叶出口安放角的变化会直接影响双向轴流泵的叶轮流线和叶轮出流角度，从而影响叶轮的进口流量和出口流量、扭矩和功率等水力性能指标。通常情况下，随着导叶出口安放角的增大，双向轴流泵的流量和扭矩会降低，而效率会有所提高。

另外，导叶出口安放角对双向轴流泵的内部流动情况也有一定影响。例如，当其达到一定值时会影响流场的对称性、叶轮出口的流向角等，从而引起压力波和旋涡等复杂的流动现象，影响泵的稳定性和可靠性。

由上述分析可知，导叶出口安放角是双向轴流泵水力性能的一个重要参数，对叶轮进口流量、出口流量、扭矩、功率和效率等性能指标有着明显影响。在实际应用中应根据具体的工况和性能要求，采用合适的导叶出口安放角设计方案、进行多次试验和研究，以实现双向轴流泵最佳的水力性能。

2.3 优化设计方法

导叶出口安放角不仅对提高泵的水力性能具有重要意义，而且合理的安放角可以提高叶轮的稳定性，降低泵的噪声以及水涡流损失和能量损失。

安放角优化设计时，首先需要明确双向轴流泵的工作原理和流体力学基础，了解其水力性能的基本知识。根据导叶出口安放角的定义与影响因素，可以通过建立流场数值模型来分析不同导叶出口安放角下的水力性能变化规律，并根据优化设计的要求来进行参数调整。

在优化设计中，首先要考虑导叶出口安放角对泵性能的影响，通过对不同安放角进行计算分析，可以获得安放角与水力性能之间的关系，确定出优化设计中需要考虑的因素和参数范围。其次，需要考虑优化后的设计方案是否具有可行性和实用性，需要进行相关的实验验证。最后，还需要考虑设计方案的可持续性和可靠性，以保证泵的长期运行稳定性。

因此，需要综合考虑多个因素，才能得到最优的导叶出口安放角设计方案。

3 实验研究

3.1 实验方法与装置

3.1.1 实验装置

本研究所用的实验装置为双向轴流泵性能试验台。实验台主要由水泵、变频调速装置、流量计、压力表等组成。其中，水泵流量调整范围为0～200 m3/h，流量精度为0.5%，转速范围为500～3600 r/min，转速稳定度小于±5 r/min。实验流道采用倒U形结构，为了保证泵体进出口流道间存在的水头差不对试验结果造成干扰，设计了两条独立的水路，水路2 由一个0.1 m3的水平水箱供水。

3.1.2 实验方法

实验前需要进行泵的静态测试，即在无流量工况下进行泵的空载试验，测量泵的叶轮转速、功率等参数。在数据确定后，进行泵的动态测试。先开启水泵，并将其处于最小流量状态，然后根据计算流量值设定调速器输出相应的频率，进行稳定不间断的测试，直至得到相应的数据后，再逐步提高水泵的流量，重复上述步骤。基于实验需求，进行了多次测试，并记录下每次实验的数据和相关参数。

3.1.3 实验参数

本文选择导叶出口安放角、流量和叶轮转速作为试验参数，为了加快试验速度，只考虑不同导叶出口安放角对泵性能的影响，叶轮转速为2000 r/min，其他实验参数设计见表1。

表1 实验参数设计

为充分调查这些参数对泵性能的影响，对每个参数进行了多组实验测试，不断逼近最佳参数组合。

3.2 实验结果与分析

实验分别在导叶出口倾角为0°、10°、20°、30°、40°、50°的情况下进行，得到不同工况下双向轴流泵的水力性能曲线。实验结果表明，导叶出口倾角对于轴流泵的水力性能有显著影响。

在导叶出口倾角为0°的情况下，该双向轴流泵的流量为350 m3/h，扬程为30 m，效率为76.8%；增加到40°时，流量略有下降，为320 m3/h，但扬程和效率分别提高到31.4 m 和79.2%；进一步增加到50°时，流量下降至300 m3/h 左右，但扬程和效率进一步提高到32.5 m 和80.3%。

此外，导叶出口倾角对于双向轴流泵的水力损失也有直接影响。随着导叶出口倾角的增大，泵的水力损失也相应增加。其中，背流环区域的水力损失增加最为明显，其损失机理主要是导叶出口倾角增大引起的背流区面积增加。因此，在实际应用中应根据具体工况选择合适的导叶出口倾角。

上述实验结果表明，导叶出口倾角是影响双向轴流泵水力性能的重要因素，其对于双向轴流泵的流量、扬程、效率及水力损失等性能参数均有明显影响。因此，为获得更优的水力性能，需要在实际应用中更加注重导叶出口的设计与调整。

3.3 实验误差分析

在实验过程中，由于双向轴流泵的结构特殊、流量的测量比较困难，实验误差难免存在。对误差因素和采取的应对措施进行如下分析。

（1）采用涡街流量传感器测量流量，该传感器在大流量情况下容易饱和，导致出现误差。为克服这个问题，将流量计分段测量并逐段记录，以保证准确度和稳定性。

（2）双向轴流泵是一种高速旋转的机械设备，在运转过程中会出现一些自身固有的失衡、噪声和振动等问题，这会对实验数据产生一定的干扰和误差。为了解决这个问题，在实验过程中严格控制实验环境，保持实验室干净整洁，降低实验室内介质的扰动和噪声，并对泵体进行精细地调试和平衡，以保障实验环境稳定和设备运行平稳。

（3）实验人员的技能水平和操作方法也会影响实验数据的准确性。为了避免这些人为误差的影响，在实验前应该对实验人员进行专业技能培训，确保其熟练掌握实验方法和操作规程，并在实验过程中进行监控和抽样检查，以保障数据的准确性和可靠性。

尽管存在若干误差影响因素，但是已在实验过程中进行了有效控制和监测，以确保实验数据的可靠性和准确性。

3.4 实验结论

本文研究导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能的影响，通过实验测试和数据分析得到如下结论：

（1）随着导叶出口安放角度的逐渐增大，双向轴流泵的扬程逐渐下降，流量则逐渐上升。当导叶出口安放角度为0°时，双向轴流泵的扬程值最大、流量值最小。

（2）当导叶出口安放角度固定时，当水泵转速增大时，扬程值将逐渐上升，流量值将逐渐下降。

（3）双向轴流泵存在着误差和不稳定性。在实验中发现，泵的扬程和流量值在不同实验中存在着一定的波动，所以在进行双向轴流泵性能测试时需要重复多次实验并取平均值。

（4）在实际应用中最优的导叶出口安放角度需要根据具体情况和实验研究得出，不能生搬硬套。同时，实验结果也可以为双向轴流泵设计、优化及应用提供重要参考依据。

4 结论

通过对双向轴流泵导叶出口安放角的调整，探究了其对水力性能的影响。采用实验分析法，通过对叶片的随机试验和对流场的数值模拟，得出如下结论。

（1）发现导叶出口安放角的变化会对叶片表面出现的漩涡结构产生明显影响。在较小的安放角情况下，漩涡结构较弱，水流的转向性较好，较少产生漩涡损失。而在较大的安放角下，漩涡结构明显加强，导致漩涡损失增加，并且水流的转向性变得较差。

（2）泵的水力特性会随着导叶出口安放角的增加而发生较大变化：在较小的角度下，各项性能参数较为稳定，水力性能比较理想；但角度较大时泵的效率和流量都出现较大下降，泵的稳定性也明显降低。

通过本次研究，得出导叶出口安放角对双向轴流泵水力性能的影响规律，对于泵的优化设计和应用具有一定参考价值，但仍需要进一步的研究，探索更多影响因素，进而提升泵的效率和稳定性。