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用可调进口导叶调节特性的大型混流泵
 
慧聪网   2005年12月28日11时36分   信息来源:《流体机械》    

    摘 要 阐述了大型混流泵采用可调进口导叶调节特性的原理、技术特点和结构设计,介绍了带可调进口导叶的SEZ2000—1625VR型泵的具体结构和运行效果。

    关键词 大型混流泵 特性调节 可调进口导叶 设计

Large Size Mixed Flow Pump with Characteristic Control by Means of Adjustable Inlet Guide Vane

Huang Jingguo

    The principle,technical feature and design of adjustable inlet guide vane are described used for characteristic control of large size mixed flow pump.the design feature of this kind of vertical mixed flow pump with full pull-out design and ceramic bearing is introduced based on an operated at pumping station Type SEZ2000-1625VR pump with adjustable inlet guide vane.

    Keywords:large size mixed flow pump,characteristic control,adjustable inlet guide vane

    1 前言

    根据叶片泵的欧拉方程式和比转速表达式可知,改变叶片泵的特性通常有以下三种途径:
    (1)改变泵的转速n;
    (2)改变叶片的几何参数(叶片的安装角),即改变比转速ns值;
    (3)改变进口水流的预旋强度,即改变Cu1。

    三种调节方法的比较文献[1]已作了详细的讨论。前两种调节泵特性的方法,已有较多的使用实绩,而第三种特性调节方法最早是用于风机。风机上采用了可调节叶片角度的进口导叶来改变进口流场的预旋强度。气体的可压缩性(密度的可变性)使得在特性调节过程中输入 轴功率能有明显的下降。由于没有汽蚀的风险,这种特性调节方式较早在风机和压缩机上得到广泛的应用,到50年代初才开始用于泵上。

    2 进口导叶调节原理与特点

    2.1 调节原理

    改变泵进口导叶的叶片安装角,实际上是改变叶轮入口流场的速度分布和流速的大小,通过泵叶轮的进口速度三角形可以说明。

    图1中表示了叶轮进口速度三角形随进口导叶角度的变化。由此产生的流量变化:

    公式一                      (1)

    假定叶轮进口处为层流状态,那末速度三角形的变化是相似的。有:

    公式二                               (2)

    因此公式三                    (3)

图一

图1 进口速度三角形

    式(3)表明,泵扬程和流量的调节幅度取决于由进口导叶造成的液流角α′0的大小。

    2.2 调节特点

    水的不可压缩性和汽蚀现象使得进口可调导叶在泵上的应用具有不同于风机和压缩机的特点。

    由于NPSHA的条件对ΔCu变化范围(即导叶角度范围)的限制以及调节控制的灵敏度随比转速ns的减小而降低,进口导叶对于扬程低的轴流泵和混流泵可以有较大的调节范围,而对于高扬程的离心泵,其特性调节的范围则不能满足实用需求。

    图2表示采用进口导叶调节的混流泵的典型性能曲线。

图二

图2 带进口导叶调节混流泵的典型特性曲线

    从图2可以看出,进口导叶调节特性的等效率曲线的长轴基本上平行于H—Q曲线的斜率线。而在叶轮叶片可调节的泵的特性曲线中,等效曲线的长轴是基本上平行于表示流量的横座标轴。这种调节特性曲线的差异,决定了两种调节方法不同的应用范围。

    在要求的高效率运行工况点范围中,进口导叶调节方法的特点是:

    (1)适合于对小范围变化的流量要求有较大范围扬程变化的场合,而叶轮叶片调节方法的适用范围正好相反。

    (2)虽然进口导叶调节方法的流量调节范围小于叶轮叶片调节方法,但在最高效率工况点附近,其效率值要高于后者。

    3 进口导叶的设计与泵的吸入性能

    3.1 典型结构与设计要点

    泵进口可调导叶的设计大都得益于风机类似的实用设计经验,包括径向的和轴向的结构。图3表示用于混/轴流泵的进口可调节导叶的典型结构。这是一种采用轴向叶片布置的设计。

图三

图3 可调进口导叶典型结构

    国外曾有过在混/轴流泵进水喇叭外围布置径向可调导叶的设计。显然,大而复杂的结构不仅增加泵的成本,并且也增加了与之匹配的进水流道的尺寸和土建工程成本。

    在进口导叶水力设计方面与叶轮匹配的诸多因素中,导叶片翼型的选用是一个重要因素,它直接影响到向减小流量方向导叶角度调节的范围和泵的汽蚀性能。选择导叶翼型的首要条件是要保证泵的阻力系数较小以及在较大的攻角范围下不会失速。因此,泵的进口导叶应不同于风机的导叶设计。

    德国KSB公司开发了一种用于泵进口导叶的非对称翼型叶片并获得专利(德国专利号No.1116973)。理论计算、试验以及泵的实际运行都证明了非对称翼型是最好的选择。

图四

图4 可调进口导叶流场的示意图

    图4清楚地表示了非对称翼型导叶在小角度下运行时的优点。很明显,在导叶角度超过90°后,对称翼型和非对称翼型都有相近角度限制。也就是说在扬程的最大调节增加量方面两种翼型基本上没有差别。

    3.2 泵的吸入性能

    泵的汽蚀基本方程式为:

    公式四                            (4)

    对于进口导叶调节,上式也可写成:

    公式五                       (5)

    式中λc是一个与水力设计相关连的经验损失系数,可表示为:

    公式六                           (6)

    在式(5)中,右边第二项对于混/轴流泵(ns≥300)而言是主要的,它已由叶轮的水力设计所决定。这里可以认为系数λw对于不同的进口导叶角度是常数。

    研究表明:在泵的最高效率点附近,可调进口导叶能给叶轮提供无冲击的最佳入流工况。它与叶轮叶片调节方法相比较,在这一小的运行范围内不仅泵的效率较高而且吸入性能较好,即NPSHR更低一些,如图5所示。

图五

图5 对于叶轮叶片调节和进口导叶调节的无量纲NPSH特性

    4 带有进口导叶调节特性的混流泵实例

    上海市大桥取水泵站工程是市政府为改善市民饮水质量,利用世行贷款建设的重点市政工程。该泵站共安装有12台SEZ2000—1625VR型立式混流泵,带有可调进口导叶调节机构,泵的出口管径为2m,泵的剖面图如图6所示。

图六

图6 SEZ2000—1625结构

    该泵的主要技术参数如下:

    最优工况点:Q=9m3/s,H=11.7m,n=297r/min,η=89.5%(进口导叶角110°)
    保证工况点:Q=6.5m3/s,H=15.5m(进口导叶角110°)
    高效区范围:Q=9~10m3/s,H=10~13m,η≥88%
    特性调节范围:Q=5~11m3/s,H=6.5~15.5m(进口导叶角度范围:80~110°)

    该泵在设计上有以下特点:

    (1)是一种全抽芯设计的混流泵。在湿井式安装条件下充分显示了其在安装、运行和维修上的优点。全抽芯设计已成为大型湿井式安装的混/轴流泵结构设计的一种趋势。

    (2)采用了RESIDUR陶瓷轴承(图7)。用抽送的介质直接冷却润滑,取消了橡胶轴承常用的冷却润滑水系统,提高了可靠性和使用寿命。

图七

图7 RESIDUR陶瓷轴承典型结构

图八

图8 进水流道平面图

    (3)带中心导流锥的开式进水流道,使泵有稳定无旋的进水条件,从而保证了进口可调导叶的稳定工作。进水流道的平面尺寸如图8所示。流道的设计是基于KSB公司多年的试验研究,现已形成设计标准。

    (4)作用在进口导叶上的水动力负荷较低。调节机构上的应力通常很小,几乎与泵的负荷无关。调节力的传递虽然通过一个三维系统,球关节联轴器合理的设计和布置能使调节机构有高的运动精度与可靠性。

    (5)进口导叶调节机构的运行同时具有电力驱动和手动两种方式。在泵站,调节机构包括安装在进口导叶部位的水下测振器均联入计算机控制系统。

    根据世界银行对实施世行贷款项目的规定,作为项目监理方,英国Mott MacDonald公司参与了从图纸设计到泵站安装、试运行的全过程,监理工作严格按合同条款规定进行。

    经过一年多的运行表明,该泵效率高、运行稳定,其调节特性完全能满足在黄浦江不同潮水水位的情况下,供水系统的各种工况要求。按进口水位的流量自动调节运行也得以实现。

    5 结论

    (1)对轴流泵和混流泵,进口可调导叶是一种有效的特性调节方法,特别适用于当流量小范围变化时要求扬程有较大变化的场合。

    (2)进口可调导叶方法与可调叶轮叶片方法相比较,虽然流量调节范围较小,但在最高效率点附近的一个小范围内可以得到较高的效率和较低的NPSHR。

    (3)进口可调导叶调节机构是布置在固定部件上,运行负荷小,结构简单,相对成本较低,具有良好的实用性、经济性和可靠性。

    作者简介:黄经国,男,57岁,教授级高级工程师,总工程师。

    通讯地址:200245上海闵行江川路1400号上海凯士比泵有限公司。

    黄经国(上海凯士比泵有限公司)

    参 考 文 献

    [1] 黄经国.电厂循环水泵的特性调节及叶片调节机构设计.流体工程,1992;20(9)

 
作者:黄经国 
 
 
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